不同回火工藝對(duì)熱軋低碳馬氏體高強(qiáng)鋼殘余應(yīng)力的影響

王克偉，施建華，孫　林，蘇　震，呂利鴿

(1.中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089；2.首鋼技術(shù)研究院，北京 100043)

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不同回火工藝對(duì)熱軋低碳馬氏體高強(qiáng)鋼殘余應(yīng)力的影響

王克偉1，施建華1，孫林1，蘇震1，呂利鴿2

(1.中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089；2.首鋼技術(shù)研究院，北京 100043)

摘要：殘余應(yīng)力是影響鋼板板形的重要因素，回火熱處理是消除熱軋淬火后馬氏體鋼板殘余應(yīng)力的重要手段。研究了熱軋低碳馬氏體高強(qiáng)鋼在不同熱處理工藝回火后的殘余應(yīng)力變化規(guī)律，為降低殘余應(yīng)力提供了更為合理的回火工藝制度。用小孔法進(jìn)行了殘余應(yīng)力的測(cè)試，結(jié)果表明，在回火溫度為550和600 ℃，保溫時(shí)間為2 h時(shí)，回火后得到的鋼板的殘余應(yīng)力有較明顯的消除，殘余應(yīng)力分布也更加均勻。同時(shí)還指出，隨著回火工藝的改變，鋼板回火時(shí)的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力改變存在較顯著的不同時(shí)性。

關(guān)鍵詞：馬氏體；回火工藝；殘余應(yīng)力

熱軋低碳馬氏體高強(qiáng)鋼的強(qiáng)化機(jī)制主要是靠相變強(qiáng)化，在熱軋線(xiàn)上通過(guò)層冷段實(shí)現(xiàn)奧氏體向馬氏體的相變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的板形問(wèn)題(主要是邊浪)。板形是板帶材生產(chǎn)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一，板帶材板形不良的實(shí)質(zhì)就是板帶材內(nèi)部存在分布不均勻的殘余應(yīng)力。

在馬氏體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，由于組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用，必然會(huì)產(chǎn)生比較大的殘余應(yīng)力，回火是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中降低殘余應(yīng)力，改善板形的有效熱處理方法。國(guó)內(nèi)系統(tǒng)研究低碳馬氏體高強(qiáng)鋼回火工藝的文獻(xiàn)并不多，對(duì)于回火過(guò)程中殘余應(yīng)力的演變規(guī)律并無(wú)報(bào)道。本文對(duì)馬氏體高強(qiáng)鋼的回火過(guò)程進(jìn)行研究，測(cè)試其殘余應(yīng)力，為選擇合適的回火工藝提供依據(jù)。

1回火試驗(yàn)和殘余應(yīng)力測(cè)試

1.1回火工藝的制訂

通過(guò)繪制此鋼種的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，得到該鋼種的Ac1=696 ℃，Ac3=880 ℃，Ar1=402 ℃，Ar3=605 ℃，結(jié)合該鋼的Ac1溫度和所要求達(dá)到的力學(xué)性能，選擇回火工藝為：450～650 ℃保溫60～180 min。為了研究鋼板不同部位在回火過(guò)程中殘余應(yīng)力的演變規(guī)律，制訂的取樣方案和回火工藝如下。

本試驗(yàn)的原料由某鋼廠提供，2塊尺寸均為1 200 mm×250 mm×8 mm的鋼板(見(jiàn)圖1)，沿板寬方向分別將鋼板分為邊部、1/4處、中部、1/4處和邊部5個(gè)區(qū)域，并分別標(biāo)記為A～E，F(xiàn)～J區(qū)。在每個(gè)區(qū)域，又將鋼板平均切成8個(gè)30 mm×250 mm×8 mm的鋼條，按A1～A8的規(guī)則編號(hào)，具體回火工藝見(jiàn)表1。

圖1　回火試樣制取位置圖

回火溫度/℃回火保溫時(shí)間/h123450A1,B2,C4,D5,E7A3,B1,C6,D6,E5A4,B4,C7,D7,E6500A5,B5,C1,D1,E1A6,B6,C2,D2,E2A7,B7,C3,D3,E3550F2,G2,H5,I5,J7F3,G1,H6,I6,J5I4,G4,H7,I7,J6600F5,G5,H1,I1,J1F6,G6,H2,I2,J2I7,G7,H3,I3,J3650F1,G3,H4,I4,J4F8,G8,H8,I8,J8A8,B8,C8,D8,E8

1.2殘余應(yīng)力測(cè)試方法

本文采用小孔法測(cè)試殘余應(yīng)力，在具有殘余應(yīng)力的構(gòu)件上打一小孔，使孔的鄰域內(nèi)由于部分應(yīng)力釋放而產(chǎn)生相應(yīng)的位移與應(yīng)變，測(cè)量這些位移或應(yīng)變，經(jīng)換算可得小孔處原有的應(yīng)力[1]。

貼片所選位置都在各個(gè)鋼條的中心，以避免機(jī)械切割對(duì)鋼條邊部應(yīng)力狀態(tài)的影響。回火處理前對(duì)鋼板1和鋼板2每隔30 mm測(cè)試一個(gè)點(diǎn)，在回火之后裁成鋼條，在鋼條中心位置貼片測(cè)試，應(yīng)與回火前測(cè)試的位置間隔一定距離。

2殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

2.1回火前鋼板的殘余應(yīng)力

在鋸切的過(guò)程中，回火鋼板被裁成了窄條，其橫向的殘余應(yīng)力會(huì)有所釋放，且引起浪形的殘余應(yīng)力多為沿軋向的；因此，將求得的殘余應(yīng)力變換到沿軋向和板寬方向。本文只表征殘余應(yīng)力沿軋向的分布和演變規(guī)律?；鼗鹎颁摪宓臍堄鄳?yīng)力測(cè)試結(jié)果(沿軋向)如圖2和圖3所示。

圖2　鋼板1回火前殘余應(yīng)力

圖3　鋼板2回火前殘余應(yīng)力

對(duì)回火前鋼板沿軋制方向殘余應(yīng)力進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，鋼板內(nèi)各點(diǎn)的殘余應(yīng)力均為負(fù)值，是壓應(yīng)力，且數(shù)值均小于該材料在室溫下的屈服強(qiáng)度，鋼板內(nèi)部各點(diǎn)處于彈性平衡狀態(tài)。

回火前鋼板的殘余應(yīng)力邊部較大(>-200 MPa)，中部較小(基本上均<100 MPa)，測(cè)試結(jié)果與該鋼板回火前的板形情況一致，表現(xiàn)為邊浪。

2.2不同回火溫度，同一保溫時(shí)間回火后鋼板的殘余應(yīng)力

不同回火溫度，保溫時(shí)間分別為1、2和3 h鋼板的殘余應(yīng)力分布如圖4～圖6所示。

圖4　不同回火溫度，保溫1 h時(shí)鋼板的殘余應(yīng)力分布

圖5　不同回火溫度，保溫2 h時(shí)鋼板的殘余應(yīng)力分布

圖6　不同回火溫度，保溫3 h時(shí)鋼板的殘余應(yīng)力分布

保溫2 h時(shí)，各個(gè)溫度回火后的殘余應(yīng)力基本都有不同程度的改善，而且曲線(xiàn)相對(duì)較平緩，鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力分布比較均勻。保溫1 h時(shí)，450和650 ℃回火后，鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力分布不均勻，個(gè)別部位的殘余應(yīng)力不但未降低反而有所增加。所以，推測(cè)2 h為試驗(yàn)鋼種的最佳回火保溫時(shí)間。

2.3不同保溫時(shí)間，同一回火溫度回火后鋼板的殘余應(yīng)力

某一回火溫度，不同保溫時(shí)間回火處理后，鋼板表面的殘余應(yīng)力分布如圖7～圖11所示。

圖7　450 ℃回火保溫不同時(shí)間后鋼板的殘余應(yīng)力分布

圖8　500 ℃回火保溫不同時(shí)間后鋼板的殘余應(yīng)力分布

圖9　550 ℃回火保溫不同時(shí)間后鋼板的殘余應(yīng)力分布

圖10　600 ℃回火保溫不同時(shí)間后鋼板的殘余應(yīng)力分布

圖11　650 ℃回火保溫不同時(shí)間后鋼板的殘余應(yīng)力分布

分析圖7可知，通過(guò)加熱和保溫，沿板寬各部分的殘余應(yīng)力均有所改變。其中，中部殘余應(yīng)力降低的幅度最大，邊部次之， 1/4處變化不大。

當(dāng)回火保溫時(shí)間分別為1和2 h時(shí)，中部壓應(yīng)力數(shù)值較回火前明顯減小，說(shuō)明該保溫時(shí)間可以達(dá)到一定程度上消除殘余應(yīng)力的作用。而回火保溫時(shí)間為3 h時(shí)壓應(yīng)力卻反常增大，這可能是在長(zhǎng)時(shí)間的保溫過(guò)程中，存在于馬氏體板條間的極少量殘余奧氏體發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變或貝氏體轉(zhuǎn)變，由于比容的差別，體積發(fā)生一定程度膨脹，旁邊位置的組織為阻止其膨脹而對(duì)其施加了壓應(yīng)力。對(duì)于邊部，回火保溫時(shí)間分別為1和2 h時(shí)，壓應(yīng)力的變化程度明顯小于回火保溫時(shí)間為3 h時(shí)。

分析圖8可知，除個(gè)別位置外(回火保溫時(shí)間2 h的中部和3 h的1/4處)，其余各位置的殘余應(yīng)力較回火前均有所改善，都逐漸趨于均勻化。其中，邊部降低幅度最大，中部次之，1/4處最小。與450 ℃回火的結(jié)果相比，500 ℃消除殘余應(yīng)力的效果較明顯。

分析圖9可知，除回火保溫時(shí)間2和3 h的1/4處外，其余各位置的殘余應(yīng)力數(shù)值均有所降低，其中邊部變化最大。

觀察回火保溫時(shí)間1 h的圖，鋼板中部殘余應(yīng)力幾乎不變，但1/4處和邊部的變化卻很大；當(dāng)回火保溫時(shí)間延長(zhǎng)至2 h，中部的殘余應(yīng)力開(kāi)始降低，由此推測(cè)中部組織發(fā)生了很明顯的變化，產(chǎn)生組織應(yīng)力作用于周?chē)渌恢玫慕M織，使得1/4處和邊部的殘余應(yīng)力反而有所增大。隨著保溫時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，1/4處和邊部的殘余應(yīng)力反而又有所降低，中部卻增大。

600 ℃回火后，各位置的殘余應(yīng)力更趨于平緩，變化比較均勻，表明鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力正向均勻化分布發(fā)展。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，保溫2 h后鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力最大最小值的差值最小，分布最均勻，可見(jiàn)2 h的保溫時(shí)間相對(duì)較合理。

當(dāng)回火溫度為650 ℃時(shí)，回火保溫時(shí)間為2 h時(shí)鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力的改善最明顯；而保溫時(shí)間為1 h時(shí)，鋼板邊部殘余應(yīng)力幾乎不變；保溫時(shí)間為3 h時(shí)，邊部和中部的殘余應(yīng)力均降低很大幅度，但1/4處卻反向增大。

當(dāng)回火溫度分別為550和600 ℃時(shí)，鋼板各部分的殘余應(yīng)力大部分有所降低，且曲線(xiàn)的變化趨于平坦，表明該溫度下的回火處理已經(jīng)使得鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力逐漸分布均勻。

3討論

由于鋼板厚度較小，且測(cè)試點(diǎn)均位于上表面，可以認(rèn)為沿板厚方向各位置的熱應(yīng)力是一致的，所以對(duì)沿板寬方向回火后的熱應(yīng)力演變進(jìn)行分析，然后再附加上組織應(yīng)力[2]，與實(shí)際測(cè)得的殘余應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.1鋼板回火過(guò)程中熱應(yīng)力的演變過(guò)程

回火過(guò)程中沿板寬方向鋼板熱應(yīng)力的變化過(guò)程如圖12所示。淬火后沿板寬方向鋼板邊部和心部均受壓應(yīng)力(見(jiàn)圖12a)。在回火過(guò)程中，邊部金屬首先受熱膨脹，周?chē)饘僮柚蛊渑蛎?，使其受壓?yīng)力，而中部受拉應(yīng)力，使得鋼板邊部受更大的壓應(yīng)力，使中部淬火后所受壓應(yīng)力有所緩和，表現(xiàn)為中間部分曲線(xiàn)整體上移(見(jiàn)圖12b)。隨著熱傳導(dǎo)過(guò)程的進(jìn)一步傳遞，板寬1/4處位置的金屬開(kāi)始受熱膨脹，受到邊部和中部金屬帶來(lái)的很大的壓應(yīng)力，邊部和中部則為拉應(yīng)力(見(jiàn)圖12c)。當(dāng)中部的溫度也升高時(shí)，中部的金屬開(kāi)始受熱膨脹，造成中部受很大的壓應(yīng)力，邊部則受拉應(yīng)力(見(jiàn)圖12d)。在以后的保溫過(guò)程中，各部分溫度趨于一致，溫差逐漸降為零時(shí)，由于各部分金屬之間的相互作用，熱應(yīng)力將再次反向，形成邊部壓應(yīng)力，心部拉應(yīng)力的狀態(tài)(見(jiàn)圖12e)。

圖12　回火過(guò)程中沿板寬方向鋼板熱應(yīng)力的演變過(guò)程

3.2鋼板回火過(guò)程中組織應(yīng)力的演變過(guò)程

回火過(guò)程中沿板寬方向鋼板組織應(yīng)力的演變過(guò)程如圖13所示?；鼗疬^(guò)程發(fā)生相變時(shí)，邊部受壓應(yīng)力，中部受拉應(yīng)力(見(jiàn)圖13a)。當(dāng)溫度達(dá)到馬氏體分解的溫度時(shí)，馬氏體開(kāi)始分解成鐵素體和滲碳體，由于馬氏體的比容大于鐵素體和滲碳體，所以該相變過(guò)程伴隨著體積收縮的過(guò)程。在回火過(guò)程中，邊部最先升溫，馬氏體開(kāi)始分解，該部分體積收縮，周?chē)渌糠钟肿柚蛊涫湛s，使得邊部受拉應(yīng)力，中部受壓應(yīng)力(見(jiàn)圖13b)。隨著進(jìn)一步升溫，板寬1/4處位置的馬氏體組織也開(kāi)始分解，此處的體積也開(kāi)始收縮，在該處呈現(xiàn)較大的拉應(yīng)力(見(jiàn)圖13c)。當(dāng)中部的溫度也達(dá)到了馬氏體分解的溫度時(shí)，中部組織也開(kāi)始變化，該部分的體積也開(kāi)始收縮，周?chē)渌糠忠蜃柚蛊涫湛s而受壓應(yīng)力，中部則受較大的拉應(yīng)力(見(jiàn)圖13d)。同樣，考慮到板厚方向鋼板表層各位置的熱應(yīng)力為較大的壓應(yīng)力，與組織應(yīng)力合并后造成的結(jié)果是曲線(xiàn)整體下移(見(jiàn)圖13d)，使得鋼板沿板寬各位置的殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為大小不同的壓應(yīng)力(見(jiàn)圖13e)。

圖13　回火過(guò)程中沿板寬方向鋼板組織應(yīng)力的演變過(guò)程

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)各個(gè)回火溫度下，不同保溫時(shí)間對(duì)熱軋低碳馬氏體高強(qiáng)鋼板沿板寬方向殘余應(yīng)力分布的研究發(fā)現(xiàn)： 1)回火熱處理減少了淬火鋼板的內(nèi)應(yīng)力，特別是分布不均勻的殘余應(yīng)力；2)回火溫度分別為550和600 ℃時(shí)，鋼板各部分的殘余應(yīng)力大部分有所降低，且曲線(xiàn)的變化趨于平坦，表明該溫度下的回火處理已經(jīng)使得鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力逐漸分布均勻，因而確定試驗(yàn)鋼種的最佳回火溫度分別為550和600 ℃，最佳回火保溫時(shí)間為2 h；3)熱軋低碳馬氏體高強(qiáng)鋼板內(nèi)的殘余應(yīng)力隨回火溫度的提高和回火保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，均表現(xiàn)出先變平緩(均一化)，再反彎的變化趨勢(shì)，這主要是受鋼板回火時(shí)的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力沿板寬方向存在不同時(shí)性所造成的。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱甫金．殘余應(yīng)力的測(cè)量與應(yīng)用[D]．南京：南京航空航天大學(xué)，1998．

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責(zé)任編輯馬彤

Effect of Different Tempering Processes on the Residual Stress of Hot Rolled Low Carbon Martensite High Strength Steel

WANG Kewei1， SHI Jianhua1， SUN Lin1， SU Zhen1， LYU Lige2

(1.Advanced Technology Generalization Institute of CNGC， Beijing 100089， China；2.Shougang Research Institute of Technology， Beijing 100043， China)

Abstract：Residual stress is an important factor affecting the shape of steel plate. Tempering treatment is an effective method to eliminate the residual stress of hot rolled martensite high-strength steel plate. The changes of residual stress of low carbon hot rolled martensite high strength steel in the tmpering process are studied. And the more reasonable technological regulation of temper process is found in order to reduce the residual stress. The distribution of residual stress is measured by means of blind-hole method. The results show that when the martensite high strength steel is tempered at 550 or 600 ℃ for 2 h, the residual stress is reduced greatly and the distribution of residual stress is more uniform. With the change of tempering process, the thermal stress and micro stress changes separately.

Key words:martensite， tempering process， residual stress

收稿日期：2015-11-22

作者簡(jiǎn)介：王克偉(1980-)，男，高級(jí)工程師，主要從事熱工及控制等方面的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 161

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A