生產(chǎn)工藝對690MPa級工程機(jī)械用鋼組織與力學(xué)性能的影響

惠亞軍，趙愛民，趙征志，黃 耀，李文遠(yuǎn)

（北京科技大學(xué)冶金工程研究院，北京100083）

0 引 言

新型超細(xì)低碳貝氏體鋼是國家新一代鋼鐵材料重大基礎(chǔ)研究的一項(xiàng)重要成果，它是在充分利用近代物理冶金原理的基礎(chǔ)上，采用弛豫－析出－控制相變（RPC）技術(shù)開發(fā)的新一代高強(qiáng)韌、低成本、節(jié)能環(huán)保型超細(xì)組織鋼［1］。該鋼具有生產(chǎn)工藝簡單、節(jié)省能源、強(qiáng)韌性好、易于成型以及優(yōu)良的焊接性能等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、造船和石油天然氣輸送管線等行業(yè)［2］。在鋼的各種強(qiáng)化機(jī)制中，只有組織細(xì)化才可以在提高強(qiáng)度的同時(shí)提高或改善其韌性，因此細(xì)化超低碳貝氏體鋼的有效晶粒尺寸是進(jìn)一步提高其綜合性能的有效途徑［3－5］。而RPC技術(shù)能大幅細(xì)化低碳貝氏體鋼的組織，得到長4～6μm、寬3～4μm的貝氏體板條束，而且板條內(nèi)部存在高密度位錯(cuò)和大量析出物，因此可以大幅提高其綜合力學(xué)性能，高溫回火后這種鋼的屈服強(qiáng)度可達(dá)到800MPa，塑性、韌性均很好［6－7］。通過改變工藝來獲得更高強(qiáng)韌性的研究吸引了人們的注意，如何獲得更細(xì)的組織更是研究的重點(diǎn)。

在此基礎(chǔ)上，作者設(shè)計(jì)了一種鐵錳鈮銅硼系超低碳貝氏體型高強(qiáng)度（690MPa）工程機(jī)械用鋼，研究了不同生產(chǎn)工藝對試驗(yàn)鋼的組織和力學(xué)性能的影響，探討了超低碳貝氏體鋼獲得高強(qiáng)韌性的機(jī)制，從而為高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼開發(fā)與生產(chǎn)提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用鋼在50kg真空感應(yīng)爐上冶煉，主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of experimental steel（mass）%

冶煉后將鋼錠熱鍛成60mm×80mm×100mm的熱軋坯，經(jīng)6道次軋制成厚6mm的鋼板，軋制道次厚度變化為60mm→41mm→27mm→17mm→11mm→8mm→6mm。根據(jù)試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分特點(diǎn)，確定加熱溫度為1 200℃，保溫時(shí)間為1h，分兩個(gè)階段來控制軋制，粗軋開軋溫度為1 150℃，高溫階段軋制溫度控制在1 000℃以上，目的是通過軋制道次之間組織的反復(fù)再結(jié)晶充分細(xì)化奧氏體晶粒；精軋階段的開軋溫度控制在950℃以下，精軋壓下率大于60%，目的是通過非再結(jié)晶區(qū)內(nèi)的變形，使相變時(shí)的形核位置增加，終軋溫度設(shè)定為850℃。隨后進(jìn)行不同制度的冷卻。一部分試驗(yàn)鋼采用RPC技術(shù)，軋后弛豫一段時(shí)間到780℃，然后以15℃·s－1左右的冷速冷卻到350℃后放入保溫爐，保溫1h后隨爐冷卻以模擬卷取工藝，記為試驗(yàn)鋼1；另一部分試驗(yàn)鋼終軋后以15℃·s－1左右的冷速直接冷到350℃模擬卷取，記為試驗(yàn)鋼2。

1.2 試驗(yàn)方法

從兩種不同工藝軋后的鋼板上切取金相試樣，沿著軋向研磨和拋光后，用4%（體積分?jǐn)?shù)，下同）的無水乙醇硝酸溶液腐蝕后，采用Zeiss Axiovert 40MAT型光學(xué)顯微鏡和LEO－1450型掃描電鏡觀察微觀組織；根據(jù)GB／T 228－2002，在軋后鋼板上沿軋向切取標(biāo)距為50mm的拉伸試樣，在CMT4105型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上以2mm·min－1的拉伸速度進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)；采用5mm×10mm×55mm的夏比非標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣在JB－30B型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為－20℃；透射電鏡（TEM）薄膜試樣的制取是將試樣機(jī)械減薄至60μm，然后將薄片放置在直徑為3mm的打孔機(jī)上沖下圓片，再電解雙噴至穿孔，電解液為5%的高氯酸酒精溶液，雙噴工作電壓為35～45V，最后用JEM－2000FX型透射電鏡對組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)和析出物進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

從表2可以看出，兩種鋼都具有較低的屈強(qiáng)比，而且與未經(jīng)RPC處理的試驗(yàn)鋼2相比，經(jīng)過RPC處理的試驗(yàn)鋼1的綜合力學(xué)性能更優(yōu)。

表2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of test steels

2.2 微觀組織

由圖1和圖2可見，試驗(yàn)鋼1和試驗(yàn)鋼2的組織都是由板條貝氏體、粒狀貝氏體和針狀鐵素體組成的混合組織，原奧氏體晶粒被壓扁拉長，原奧氏體晶界清晰可見；而且試驗(yàn)鋼1的組織比試驗(yàn)鋼2的更加細(xì)小。由于在非再結(jié)晶區(qū)的變形量較大，原奧氏體晶粒明顯被壓扁拉長，晶界清晰，板條束由晶界開始生長，板條細(xì)小且在不同晶粒內(nèi)板條束取向差異明顯，板條間有殘余奧氏體薄膜存在，同時(shí)還有少量M／A島沿界面分布，呈島狀和長條狀，在掃描電鏡下M／A島為亮白色。M／A島的形成是因?yàn)樵谪愂象w相變過程中，碳原子不斷地從貝氏體基體向奧氏體中擴(kuò)散，使得剩余奧氏體內(nèi)逐漸富碳，但島內(nèi)的碳含量富集程度尚未達(dá)到能析出碳化物的水平，故成為富碳奧氏體島，在冷卻過程中一部分將轉(zhuǎn)變成馬氏體［8］。同時(shí)可以看到板條貝氏體束相互咬合，交錯(cuò)分布于晶內(nèi)，分割和細(xì)化了晶粒。

由圖3可見，試驗(yàn)鋼1和試驗(yàn)鋼2的組織均以板條貝氏體為主，是切變和擴(kuò)散混合型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，原奧氏體晶界被保留，鐵素體呈板條狀平行排列形成板條束，板條間為小角度晶界，板條束之間為大角度晶界。鐵素體板條在TEM下則可清晰辨認(rèn)。不同位向的板條束將原始奧氏體晶界分割成不同的區(qū)域，勾勒出原始奧氏體晶界。板條間分布著薄膜狀或針狀M／A島，鐵素體內(nèi)存在較高的位錯(cuò)密度［8］。

試驗(yàn)鋼1的精細(xì)組織是由邊界平行的板條組成，板條寬度在0.2～0.3μm之間，比在掃描電鏡下觀察到的板條寬度還窄，這是因?yàn)橛行┌鍡l間的界面在掃描電鏡下難以分辨，被看成了一個(gè)板條；并且還可以看到板條貝氏體束相互咬合，交錯(cuò)分布于晶內(nèi)，分割和細(xì)化了晶粒，在同一個(gè)板條束內(nèi)板條間取向差不大；板條內(nèi)存在大量位錯(cuò)，位錯(cuò)密度不均勻，一部分位錯(cuò)相互纏結(jié)成團(tuán)，還有小部分位錯(cuò)分布相對均勻。有研究表明［9］，試驗(yàn)鋼1中觀察到的位錯(cuò)由兩部分組成：一部分是在奧氏體非再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)產(chǎn)生的，并在RPC處理時(shí)被析出物釘軋；另一部分位錯(cuò)是在隨后冷卻過程中發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)形成的。

試驗(yàn)鋼2的精細(xì)組織也是由板條組成，板條邊界平直，板條寬度大小不一，大部分板條寬度分布在0.3～0.5μm之間，有的板條寬度達(dá)到了0.7μm左右，邊界分布著殘余奧氏體，有的呈膜狀，有的呈島狀或者塊狀，板條內(nèi)分布著大量位錯(cuò)。

2.3 討 論

由于超低碳貝氏體鋼中一般會(huì)加入一定量的鈮、鈦等沉淀硬化微合金元素，因此在終軋后的弛豫過程中，微合金元素會(huì)以（Nb，Ti）（C，N）的形式應(yīng)變誘導(dǎo)析出，析出的微細(xì)碳氮化物可成為新相的形核中心，從而增大形核量引起組織細(xì)化；另外，試驗(yàn)鋼在非再結(jié)晶區(qū)大變形所造成的高密度位錯(cuò)在弛豫過程中會(huì)發(fā)生回復(fù)，大量的位錯(cuò)弛豫發(fā)生多邊形化，多邊形的位錯(cuò)墻既可成為形核的優(yōu)先位置促進(jìn)形核，也可以在新相生長過程中限制貝氏體組織的長大，從而使貝氏體組織細(xì)化［10］。試驗(yàn)鋼1在終軋后空冷到780℃進(jìn)行了一段時(shí)間的弛豫，由圖2可見，其組織含有部分針狀鐵素體，它們把原奧氏體晶粒分割成很多小區(qū)域，限制了隨后板條的長大，獲得的組織比未經(jīng)RPC處理的試驗(yàn)鋼2更細(xì)小。組織細(xì)化強(qiáng)化是唯一能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的強(qiáng)化方式，所以其強(qiáng)度和韌性比試驗(yàn)鋼2的更優(yōu)。根據(jù)GB 1591－2008可知，兩種試驗(yàn)鋼都達(dá)到了Q690鋼的性能要求，但是試驗(yàn)鋼2的屈服強(qiáng)度富余不多，而試驗(yàn)鋼1則獲得了強(qiáng)度與塑性更優(yōu)的綜合力學(xué)性能。

3 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)鋼在兩種不同工藝條件下均獲得了由板條貝氏體、粒狀貝氏體與針狀鐵素體的組成混合組織，并以板條貝氏體為主；終軋后經(jīng)弛豫處理的試驗(yàn)鋼，其組織比未經(jīng)弛豫處理的更加細(xì)小。

（2）終軋后經(jīng)弛豫處理的試驗(yàn)鋼比未經(jīng)弛豫處理的具有更優(yōu)的綜合力學(xué)性能，且二者均符合GB 1591－2008的要求。

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