回火溫度對(duì)Mo-V-Ti鋼組織與性能的影響

王樹(shù)森，趙剛，劉璇，李大航，周洪慶，高若涵（.海軍駐鞍鋼軍事代表室，遼寧 鞍山4009；.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山4009）

研究與開(kāi)發(fā)

回火溫度對(duì)Mo-V-Ti鋼組織與性能的影響

王樹(shù)森1，趙剛2，劉璇2，李大航2，周洪慶2，高若涵2
（1.海軍駐鞍鋼軍事代表室，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

為了研究回火溫度、析出相對(duì)含Mo-V-Ti鋼組織與性能的影響，試驗(yàn)采用550 mm軋機(jī)對(duì)含Mo-V-Ti鋼軋制后進(jìn)行完全淬火，然后在630～710℃不同的溫度下進(jìn)行回火。結(jié)果表明，高溫回火后，鋼的組織由回火索氏體和少量貝氏體組成，組織中發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，鋼的強(qiáng)韌性匹配發(fā)生變化。在670℃以下回火時(shí)產(chǎn)生的析出相主要為Ti、V和Mo復(fù)合的碳氮化合物和V、Mo復(fù)合的碳氮化合物，隨著回火溫度的提高，產(chǎn)生了新的析出相Fe、Mn和Mo及V合金滲碳體，析出相對(duì)鋼的強(qiáng)韌性有重要影響。

Mo-V-Ti鋼；回火溫度；屈服強(qiáng)度；析出相

利用Mo-V-Ti復(fù)合合金化可以生產(chǎn)出屈服強(qiáng)度在500 MPa以上，具有良好的塑性，且-40℃韌性不低于140 J的鋼種。由于成分設(shè)計(jì)的原因，該鋼的淬透性較低，且回火溫度區(qū)間較窄。淬透性和回火溫度是影響調(diào)質(zhì)鋼組織和性能的兩個(gè)重要因素，二者有效結(jié)合，能使鋼達(dá)到良好的強(qiáng)韌性匹配［1］。在一定淬透性的前提下，分析回火溫度對(duì)鋼的性能的影響，對(duì)Mo-V-Ti鋼的組織與性能分析具有重要意義。

1　試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)鋼冶煉

經(jīng)過(guò)200 kg真空感應(yīng)爐冶煉后的鋼坯，再進(jìn)行電渣重熔，重熔后鋼坯化學(xué)成分如表1所示。

表1　化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　%

1.2軋制、熱處理及檢測(cè)分析

重熔后的鋼錠在550 mm中厚板試驗(yàn)軋機(jī)進(jìn)行軋制，軋制后保溫溫度為1 250℃，保溫時(shí)間為60 min，軋制成品厚度為13 mm。在RX2-37-13高溫箱式電阻爐進(jìn)行淬火試驗(yàn)，淬火工藝為：920℃保溫，40 min后快速水淬。在RX2-37-13高溫箱式電阻爐進(jìn)行高溫回火試驗(yàn)，回火溫度為630～710℃，溫度間隔為20℃，保溫時(shí)間120 min，空冷。

拉伸試驗(yàn)在Z600電子拉伸材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)在ZBC2602全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T229-2007《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，采用V型缺口，10 mm×10 mm×55 mm橫向試樣，沖擊溫度為0℃、-30℃和-60℃。對(duì)熱處理后的試樣在Olympus光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行微觀組織觀察，在TecnaiG220透射電子顯微鏡下進(jìn)行組織和析出物的觀察。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1淬透性分析

對(duì)淬火后鋼板進(jìn)行金相組織觀察，其組織形貌如圖1所示。從圖1中可以看出，淬火后組織為板條馬氏體和少量的貝氏體組織，板條馬氏體含量為92%。淬火后得到的板條馬氏體是一種亞穩(wěn)定相，碳原子有從晶格間隙中自發(fā)脫溶的趨勢(shì)。淬火后的鋼板需要經(jīng)過(guò)高溫回火后才能得到穩(wěn)定的組織。

圖1　鋼板淬火后的金相組織

2.2回火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

對(duì)回火后鋼板進(jìn)行橫向拉伸和沖擊檢驗(yàn)，其性能結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，對(duì)熱軋態(tài)鋼板淬火后，在630～710℃進(jìn)行回火時(shí)，隨著回火溫度的提高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸下降，延伸率和面縮率逐漸升高，當(dāng)回火溫度在670℃以上時(shí)，屈服強(qiáng)度、延伸率和面縮率的變化不大。各溫度下的沖擊功隨著回火溫度的升高而升高，670～690℃回火后的沖擊功變化更為明顯。

表2　鋼板回火后的拉伸和沖擊性能

2.3回火溫度對(duì)組織的影響

在630～710℃范圍內(nèi)回火時(shí)，淬火后的板條馬氏體逐步分解，試驗(yàn)鋼組織由回火索氏體和少量的貝氏體組成。630～670℃回火時(shí)，組織中保留了明顯的馬氏體板條位相，α相仍保持板條位相，碳化物轉(zhuǎn)變成與基體無(wú)共格關(guān)系的細(xì)粒狀滲碳體，如圖2（a）～（c）所示；690℃回火時(shí)，少部分α相開(kāi)始發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，形成等軸鐵素體晶粒，碳化物聚集成粗粒狀如圖2（d）所示；710℃回火時(shí)，板條馬氏體位相形態(tài)基本消失，板條鐵素體轉(zhuǎn)化為多邊形鐵素體，回復(fù)和再結(jié)晶更為明顯，如圖2（e）所示。隨回火溫度的升高，板條鐵素體變寬，晶界逐漸模糊，向多邊形轉(zhuǎn)化；碳化物由細(xì)小逐漸長(zhǎng)大并且球化。

圖2　鋼板回火后的金相組織

2.4析出相對(duì)力學(xué)性能的影響

利用TecnaiG220透射電鏡對(duì)制取的碳膜萃取復(fù)型試樣進(jìn)行第二相粒子析出分析。淬火過(guò)程中保留的大量位錯(cuò)為回火后析出物的析出提供了場(chǎng)所［1］。在670℃以下回火時(shí)，析出物為粗大的方形Ti、V和Mo復(fù)合的碳氮化合物，尺寸為120～150 nm，如圖3（a）、（b）所示；還有細(xì)小的球狀V、Mo復(fù)合碳氮化合物，尺寸為20～40 nm，如圖3（c）、（d）所示。細(xì)小而彌散分布的析出物主要起著沉淀強(qiáng)化的作用。

670℃以上回火時(shí)，出現(xiàn)了大顆粒的析出物，大顆粒析出物的形貌和能譜見(jiàn)圖4。從圖中可以看出，析出物為Fe、Mn、Mo、V合金滲碳體，尺寸在200 nm以上，可見(jiàn)在670℃以上回火時(shí)，有部分Mo和V的元素脫溶進(jìn)入合金滲碳體晶格中，還有部分V、Mo元素以碳氮化合物的形式析出。

在回火過(guò)程中，合金元素Ti、V和Mo通過(guò)轉(zhuǎn)化結(jié)晶，實(shí)現(xiàn)滲碳體到合金碳化物的原位轉(zhuǎn)變，或通過(guò)單獨(dú)形核長(zhǎng)大或異質(zhì)形核長(zhǎng)大等方式實(shí)現(xiàn)滲碳體到合金碳化物的轉(zhuǎn)變，這一過(guò)程中形成的少量納米級(jí)合金碳化物對(duì)強(qiáng)度的提高有一定作用，當(dāng)尺寸較小時(shí)，對(duì)屈服強(qiáng)度的提高貢獻(xiàn)較大；隨著回火溫度的升高，屈服強(qiáng)度緩慢降低，基體組織的軟化使得鋼的塑性和沖擊功均有提高。沖擊功大幅提高的主要原因是鋼中的間隙固溶原子C含量的大幅降低和位錯(cuò)的減少造成的，雖然析出的合金碳化物對(duì)Mo-V-Ti鋼產(chǎn)生了一定的強(qiáng)化作用，但不足以抵消強(qiáng)度降低的總體趨勢(shì)。

回火后的第二相粒子析出物形貌見(jiàn)圖5。從圖中可以看出，670℃以下回火時(shí)，隨著回火溫度的升高，Ti、V和Mo復(fù)合的碳氮化合物和V、Mo復(fù)合的碳氮化合物尺寸和數(shù)量沒(méi)有明顯變化。此時(shí)碳氮化合物由粗大的方形Ti、V和Mo以及細(xì)小的V 和Mo組成。670℃以上回火時(shí)，又出現(xiàn)了新的析出物：Fe、Mn、Mo、V合金滲碳體，并且隨著回火溫度的升高逐漸長(zhǎng)大，數(shù)量逐漸增多。新析出的合金滲碳體在鋼種起著第二相強(qiáng)化的作用，在一定程度上彌補(bǔ)了高溫回火時(shí)候位錯(cuò)密度降低所帶來(lái)的強(qiáng)度下降。

圖3　方形和球狀析出物的形貌和能譜

圖4　大顆粒析出物的形貌和能譜

在較高的回火溫度下，該材料具有很好的塑韌性和沖擊功。在710℃時(shí)，回火時(shí)該鋼塑韌性達(dá)到最大值，但表現(xiàn)出較低的強(qiáng)度，在630℃回火時(shí)，該鋼可以獲得較高的強(qiáng)度和硬度，但塑韌性較低。當(dāng)回火溫度在670℃時(shí)，該鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能達(dá)到了良好的匹配，具有較高的屈服強(qiáng)度和塑性。

圖5　鋼板回火后的第二相粒子析出物形貌

3　結(jié)論

（1）在630～710℃回火時(shí)，隨著回火溫度升高，強(qiáng)度逐漸減低，韌性逐漸提高，塑性有一定提高。

（2）經(jīng)過(guò)高溫回火后，鋼的組織由回火索氏體和少量的貝氏體組成，隨著回火溫度的升高，組織中發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，鋼的強(qiáng)韌性匹配發(fā)生變化。

（3）試樣在670℃以下回火時(shí)產(chǎn)生的析出物主要是Ti、V和Mo復(fù)合的碳氮化合物，以及V、 Mo復(fù)合的碳氮化合物，隨著回火溫度的提高，產(chǎn)生了新的析出物，F(xiàn)e、Mn、Mo、V合金滲碳體，析出相對(duì)鋼的強(qiáng)韌性起著重要的影響。

［1］張杰，蔡慶伍，樊艷秋，等.回火溫度對(duì)E690海洋用鋼組織和顯微硬度的影響［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2012，33（4）:55-61.

（編輯 袁曉青）

Effect of Tempering Temperature on Microstructures and Properties of Mo-V-Ti Steel

Wang Shusen1，Zhao Gang2，Liu Xuan2，Li Dahang2，Zhou Hongqing2，Gao Ruohan2
（1.Military Representative Office of PLA Navy in Ansteel，Anshan 114009，Liaoning，China；2.Iron&Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

In order to study the effect of the tempering temperature and the precipitated phase on the microstructures and properties of the Mo-V-Ti steel，the Mo-V-Ti steel was quenched completely after finishing the rolling of the steel by the 550 mm rolling mill and then it was tempered at different temperatures from 630℃ to 710℃.After that the testing for the steel was done.The testing results show that the microstructure of the steel was composed of tempered sorbite and small amount of bainite after the high temperature tempering.And what's more there occurred the reversion and recrystallization in the microstructure，which promotes the changes of the strength to roughness matching.While the steel was tempered under the temperature of 670℃，the resultant precipitated phase was mainly composed of Ti-V-Mo carbonitride and V-Mo carbonitride under 670℃.As the tempering temperature increases，the new precipitated phase was formed which was composed of Fe-Mn-Mo-V alloyed cementite，which indicates that the precipitated phase made a great difference to the strength and toughness of the steel.

Mo-V-Ti steel；tempering temperature；yield strength；precipitated phase

TG135

A

1006-4613（2016）04-0027-05

王樹(shù)森，碩士，工程師，2010年畢業(yè)于海軍工程大學(xué)艦船材料專業(yè)。E-mail：446757808@qq.com

2016-04-21