低溫回火對Ni-Cr-Nb-Ti貝氏體鋼組織及沖擊性能的影響

商 艷，趙 亮，張學(xué)萍，高景龍

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

低溫回火對Ni-Cr-Nb-Ti貝氏體鋼組織及沖擊性能的影響

商 艷，趙 亮，張學(xué)萍，高景龍

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

通過對一種Ni-Cr-Nb-Ti 貝氏體鋼進行直接低溫回火熱處理，研究較低的回火溫度及不同保溫時間對實驗鋼組織和沖擊性能的影響。采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對組織形貌進行了觀察分析，采用沖擊試驗和硬度檢測，研究實驗鋼熱處理前后的性能變化。結(jié)果表明：在180℃低溫回火后，保溫60～90min時，實驗鋼的硬度變化較小，沖擊吸收功比原始試樣提高70多J，獲得了較好的綜合性能，同時節(jié)約了生產(chǎn)成本。

Ni-Cr-Nb-Ti；貝氏體；低溫回火；沖擊韌性

合金元素少量多樣，碳含量較低，強度較高，塑韌性較好的低碳低合金貝氏體鋼，近年來受到了廣大學(xué)者和生產(chǎn)廠家的廣泛關(guān)注。同時貝氏體鋼的產(chǎn)品一經(jīng)產(chǎn)出，就在工程機械、壓力容器、造船和石油天然氣輸送管線等行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用[1-2]，進而引起了研究者們對低碳貝氏體鋼的潛在性能的又一輪研究熱潮。軋后的高溫回火熱處理可以顯著提高低碳貝氏體鋼的綜合力學(xué)性能[3]，早已得到了學(xué)者們的一致共識，而且這方面的研究非常多[4-7]。但是，對于低碳低合金貝氏體鋼較低溫度直接回火的熱處理研究鮮有報道。

本文以一種合金元素種類較多的Ni-Cr-Nb-Ti貝氏體鋼為研究對象，主要研究軋后不同溫度及不同保溫時間的低溫回火熱處理過程。觀察分析回火前后微觀組織和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，并對沖擊性能進行測試，探討回火過程對實驗鋼組織形態(tài)及沖擊性能的影響，并討論性能變化的機理與組織轉(zhuǎn)變之間的關(guān)系。實驗結(jié)果可以為實際生產(chǎn)中熱處理工藝制定提供參考。

1 實驗材料及實驗方法

實驗用鋼為一種合金元素種類較多的Ni-Cr-Nb-Ti低碳低合金型鋼種，其成分如表1所示。

表1 Ni-Cr-Nb-Ti貝氏體鋼的化學(xué)成分 wt.%

實驗鋼在真空電爐中煉制成坯料，將坯料在高溫電阻爐中加熱至1250℃，保溫2h，利用φ450mm二輥可逆式熱軋機進行熱軋成型，粗軋溫度在1000～1150℃，壓下量在60%～70%，終軋溫度控制在800℃，厚度在12mm左右，實驗鋼板隨后以25～30℃/s的冷卻速度冷卻至室溫。軋后的直接低溫回火實驗過程分二部分，第一部分進行回火溫度的研究，直接低溫回火實驗選取回火溫度為150～330℃，溫度間隔30℃，回火時間為1h；第二部分實驗是基于第一組實驗的實驗結(jié)果，選取一組回火溫度，改變回火過程的保溫時間，時間選取為15～180min，時間間隔為15min。

實驗鋼加熱過程選用SRJX-4-13型高溫箱式電阻爐；組織觀察采用Olympus光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡進行；采用HR-150A型洛氏硬度計測量實驗鋼的硬度值；采用沖擊試驗機測定實驗鋼的沖擊吸收功，沖擊試樣為國標(biāo)試樣，尺寸為10mm×10mm×55mm，開“V”口。

2 實驗結(jié)果

2.1 回火過程的組織演變

2.1.1 不同溫度直接低溫回火組織研究

圖1為實驗鋼熱軋后的微觀組織圖片及部分低溫直接回火后的組織圖片。從圖1中可以看出，Ni-Cr-Nb-Ti貝氏體鋼在未經(jīng)熱處理前的原始組織主要由板條貝氏體和粒狀貝氏體及少量針狀鐵素體組成(見圖1a)，其粒狀貝氏體是由塊狀(等軸狀)的鐵素體和分布其中的島狀(顆粒狀)富碳奧氏體所構(gòu)成的復(fù)相組織(見圖1e)圖中大塊的組織為板條貝氏體，小塊的組織為粒狀貝氏體。隨著回火溫度的升高，實驗鋼的微觀組織變化較小，在金相顯微鏡下，幾乎看不出差別(見圖1a、1b、1c、1d)。組織總體特征，晶粒比較細(xì)小，均為復(fù)相組織。對實驗鋼原樣和回火試樣組織進行5000倍放大后，對比可見進行低溫回火熱處理后，試樣的微觀組織中的粒狀貝氏體有變細(xì)的趨勢，對比原始組織與低溫180℃保溫60min的SEM圖片可見明顯的粒狀貝氏體組織的細(xì)化(見圖1e、1f)。

圖1 實驗鋼不同溫度直接低溫回火的微觀組織

圖1a、1b、1c、1d分別為原始組織、回火溫度180℃、270℃、330℃，保溫60min的金相組織；圖1e、1f為原始試樣和回火溫度180℃的SEM組織

2.1.2 回火溫度相同，保溫時間不同

圖2是實驗鋼在180℃回火，保溫不同時間得到的部分組織圖。由于實驗鋼的組織非常細(xì)小，金相組織圖仍很難區(qū)分。對比實驗鋼SEM圖可見，保溫15min時，組織中可以發(fā)現(xiàn)很多比較粗化的片層狀的貝氏體以及組織中晶粒大小不一(見圖2e)；保溫90min時，粒狀貝氏體為主，實驗鋼的組織成分產(chǎn)生了均勻化，而且粒狀貝氏體明顯發(fā)生了細(xì)化(見圖2f)；當(dāng)保溫180min時，組織中出現(xiàn)了長大的晶粒(見圖2g)。

圖2 180℃保溫不同時間的微觀組織

圖2a、2b、2c、2d分別為保溫時間為15min、60min、90min、180min的金相組織；圖2e、2f、2g分別為保溫時間為15min、90min、180min的SEM組織。

2.2 鋼板回火后的硬度與沖擊吸收功變化

圖3為實驗鋼經(jīng)過不同溫度及不同保溫時間直接低溫回火后的力學(xué)性能。從圖3a中可以看出，與熱軋后鋼板的性能相比，低溫回火后實驗鋼的硬度基本沒有變化，而沖擊吸收功都明顯高于原始試樣，另沖擊吸收功在180℃回火時，達(dá)到289J，為本次實驗中的最高值，最低值為240℃回火時的232J，都高于原始試樣的225J。實驗過程從節(jié)能的角度出發(fā)，選取180℃作為比較合適的直接低溫回火的回火溫度，進行不同保溫時間的研究。在180℃對Ni-Cr-Nb-Ti貝氏體鋼進行不同保溫時間的實驗后，從實驗結(jié)果可以看出，由于是低溫回火熱處理過程，因而保溫時間的延長對實驗鋼的硬度影響也不大，幾乎為一條直線，而沖擊吸收功則出現(xiàn)了明顯的峰值，在保溫時間為60～90min時，沖擊吸收功與原始試樣的差值達(dá)到70多J。而且在保溫120min時又出現(xiàn)了較低點，而后隨著時間的進一步延長，沖擊吸收功持續(xù)較低(見圖3b)。

圖3 回火溫度對低碳低合金貝氏體鋼性能的影響

2.3 斷口掃描實驗

圖4為對熱軋后原始試樣及對試樣進行180℃低溫回火，并保溫90min后的試樣的沖擊斷口進行SEM觀察后的形貌。圖4a中有明顯的解理平面和一部分韌窩，而圖4b為大部分的韌窩形貌?；鼗鸷髮嶒炰摰臎_擊斷口為典型的韌性斷裂特征。

(a)原始試樣 (b)180℃回火，保溫90min

圖4 實驗鋼沖擊試樣的斷口圖

3 分析與討論

Ni-Cr-Nb-Ti貝氏體鋼在控制軋制和控制冷卻過程中，會在貝氏體板條內(nèi)及鐵素體基體中產(chǎn)生大量的位錯，使原始組織中位錯密度較高，而且殘余應(yīng)力較大，造成熱軋后的實驗鋼硬度較高，而沖擊韌性略差。對熱軋后的Ni-Cr-Nb-Ti貝氏體鋼進行低溫直接回火處理，由于回火時位錯的回復(fù)，殘余應(yīng)力明顯降低，粒狀貝氏體中M/A島的變細(xì)，對裂紋的萌生和擴展產(chǎn)生影響，另外，回火使板條貝氏體及針狀鐵素體中的碳元素均勻化，改善了組織的塑形，這些因素均提高了實驗鋼的韌性。因而，控軋控冷后直接低溫回火可以較好地改善實驗鋼的沖擊性能保證硬度不降低并節(jié)約生產(chǎn)成本。

由于熱處理過程中回火溫度較低，組織中的析出過程不明顯，組織變化主要體現(xiàn)在位錯線的偏移和消失及殘余應(yīng)力的減小為主，還有貝氏體組織中M/A島的變化來體現(xiàn)。實驗鋼未經(jīng)熱處理前的原始組織主要由板條貝氏體和粒狀貝氏體及少量針狀鐵素體組成。熱軋后試樣原始組織中粒狀貝氏體組織含量較高且較粗大(見圖1e)，該島狀相由M/A兩相組成，在貝氏體相變中，C原子不斷從貝氏體基體向奧氏體中擴散，使得剩余奧氏體內(nèi)逐漸富碳，但島內(nèi)碳含量尚不夠達(dá)到能析出碳化物的水平，故形成富碳奧氏體島，粒狀貝氏體中M/A島的數(shù)量、分布和形態(tài)都對組織和韌性有重要影響[8]，熱軋態(tài)實驗鋼組織中部分粗大M/A島本身不具備大的塑形變形能力，容易誘發(fā)裂紋并裂紋長大的后期裂開，造成解理斷裂從而降低韌性[9]。而在細(xì)小的M/A島處不容易形成裂紋，且裂紋擴展到細(xì)小的M/A島處時，會發(fā)生路徑的偏轉(zhuǎn)，使裂紋擴展減緩[10]。因而，回火后尺寸較小，分布較彌散的M/A島，可有效改善沖擊韌性。實驗鋼在經(jīng)過180℃的低溫回火后的組織中，均出現(xiàn)比較細(xì)小的M/A島(見圖1f、圖2f)。

另外，低溫回火過程提供的能量有限，實驗鋼的組織中不會出現(xiàn)較大的變化，但基體內(nèi)部的位錯密度會不斷降低，進而形成穩(wěn)定有序的位錯，增加基體的塑性，從而增大了裂紋在基體上擴展的能量消耗；另外，組織中碳原子的短程擴散，改善了微觀組織的成分均勻性，增加組織的塑性形變均勻性，可以減少應(yīng)力集中，減少裂紋產(chǎn)生的可能性；再有，碳原子擴散到晶界，位錯遷移到晶界，使晶界獲得了強化，可以防止裂紋沿晶界的形核和擴展，以上幾種因素均使回火后的實驗鋼韌性得到改善。

4 結(jié)論

(1)Ni-Cr-Nb-Ti貝氏體鋼的原始組織為板條貝氏體和粒狀貝氏體及少量針狀鐵素體混合組織，實驗鋼在不同溫度及不同保溫時間的低溫回火后的組織演變主要表現(xiàn)為位錯線的偏移及消失和殘余應(yīng)力的減小及粒狀貝氏體組織中M/A島的細(xì)化。

(2)低溫回火后實驗鋼的硬度基本沒有變化，而沖擊吸收功都明顯高于原始試樣，另沖擊吸收功在180℃回火時，達(dá)到289J，為本次實驗中的最高值，最低值為240℃回火時的232J，都高于原始試樣的225J。

(3)對Ni-Cr-Nb-Ti貝氏體鋼進行180℃低溫回火，并保溫60～90min時，實驗鋼的硬度變化較小，沖擊吸收功比原始試樣提高70多J，獲得了較好的綜合性能，同時節(jié)約了生產(chǎn)成本。

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(責(zé)任編輯：馬金龍)

Effect of Low-temperature Tempering on Microstructure and Impact Toughness of Ni-Cr-Nb-Ti Bainite Steel

SHANG Yan，ZHAO Liang，ZHANG Xueping，GAO Jinglong

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159, China)

The influence of tempering temperature and different holding time were investigated on microstructure and impact toughness of a kind of Ni-Cr-Nb-Ti bainite steel. With optical microscopy and SEM, the microstructure were observed. With impact test, hardness test, mechanical properties were gained. The result shows that with temperature at 180℃ and holding for 60～90 minutes, the tested steel obtains better combination property and saves the cost of production.

Ni-Cr-Nb-Ti;bainite steel;low-temperature tempering;impact toughness

2015-03-24

沈陽理工大學(xué)重點實驗室開放基金

商艷(1975—)，女，副教授，研究方向：金屬材料熱處理及表面處理技術(shù).

1003-1251(2015)04-0010-05

TG142.1

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