冷卻工藝對Q235低碳鋼組織及性能的影響

李雨森，楊躍輝，李敬，苑少強(qiáng)（.唐山盾石機(jī)械制造有限責(zé)任公司，河北唐山06300；.唐山學(xué)院機(jī)電工程系，河北唐山063000）

冷卻工藝對Q235低碳鋼組織及性能的影響

李雨森1，楊躍輝2，李敬2，苑少強(qiáng)2
（1.唐山盾石機(jī)械制造有限責(zé)任公司，河北唐山0630202；2.唐山學(xué)院機(jī)電工程系，河北唐山063000）

將Q235B低碳鋼奧氏體化后采用不同的方式進(jìn)行冷卻，得到不同類型的顯微組織，然后測定了其力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)鋼930℃等溫20min后，隨爐冷卻得到鐵素體和少量珠光體組織；空冷時出現(xiàn)大量的魏氏體，而淬火（水冷）形成板條馬氏體。軋態(tài)、空冷和隨爐冷卻后的應(yīng)力應(yīng)變曲線雖然都有明顯的屈服平臺，但組織中存在粗大的多邊形鐵素體時加工硬化指數(shù)相對較高。淬火組織的應(yīng)力應(yīng)變曲線則表現(xiàn)為連續(xù)屈服。

低碳鋼；冷卻方式；應(yīng)力應(yīng)變曲線；力學(xué)性能

研究表明：單相組織的鋼鐵材料具有更優(yōu)的抗腐蝕性[1]，而目前為提高其力學(xué)性能，鋼鐵材料基本采用多相的組織構(gòu)成。因此，開發(fā)具有雙峰尺度晶粒尺寸分布的鋼鐵材料不但可以獲得更佳的綜合力學(xué)性能，而且也有利于耐蝕性的改善。文獻(xiàn)[2]采用冷軋后退火的工藝制備出微米和亞微米雙峰尺度分布的不銹鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能。因此，如果將此種工藝應(yīng)用到普通低碳鋼上，對低碳鋼性能的升級，應(yīng)用領(lǐng)域的拓展將提供有益的借鑒與參考。本文以Q235B為研究對象，通過不同冷卻方式觀察其組織轉(zhuǎn)變，并測試力學(xué)性能的變化，為低碳鋼雙峰尺寸分布組織的制備工藝研究提供基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用Q235B商用熱軋鋼板，厚度為6mm.其化學(xué)成分為：w（C）0.14，w（S i）0.16，w（M n）0.70，w（P）0.015，w（S）0.008.在箱式電阻爐中進(jìn)行加熱，熱處理過程如圖1所示。熱處理后的試樣磨面經(jīng)2%硝酸乙醇溶液侵蝕大約25 s后，在B X41M奧林巴斯正置光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織，拉伸實(shí)驗(yàn)在M TS810型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，利用H D9-45型表面洛氏維氏硬度計(jì)測定維氏硬度（H V），選用載荷為294N.

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 試驗(yàn)鋼不同冷卻方式下的組織形貌

試驗(yàn)用Q235B鋼供貨狀態(tài)為熱軋卷板，厚度為6mm，組織為典型的鐵素體+珠光體組織，如圖2所示。其中，鐵素體晶粒呈多邊形，珠光體離散分布并連接成條狀，滲碳體細(xì)節(jié)不明顯。

圖1 低碳鋼熱處理工藝示意圖

圖2 Q235低碳鋼的軋態(tài)組織形貌

按照試驗(yàn)鋼的成分計(jì)算其相變點(diǎn)為860℃，因此加熱至930℃保溫20m in后，能夠?qū)崿F(xiàn)完全奧氏體化。經(jīng)三種不同方式冷卻后獲得的顯微組織如圖3所示。可見，隨爐冷卻后得到平衡態(tài)的多邊形鐵素體和珠光體組織，其中鐵素體晶粒為等軸狀，由于碳和錳含量較低，珠光體數(shù)量較少；空冷后的組織中則出現(xiàn)了大量的魏氏體組織，這可能是由于加熱后獲得奧氏體晶粒較為粗大，且樣品較小，空冷冷速較快，因此促進(jìn)了魏氏體產(chǎn)生[3]，如圖3b）所示。奧氏體化后淬火，形成典型的低碳板條狀馬氏體組織，板條特征明顯，且原奧氏體晶界基本可見，而在原奧氏體晶界處，仍可見少量細(xì)針狀的的鐵素體，這表明試驗(yàn)鋼的淬透性較低，在水冷的條件下在晶界處仍形成了少量的鐵素體，但由于快速冷卻至室溫，這些鐵素體只能沿著奧氏體的一定晶面向晶內(nèi)生長，如圖3c）所示。

2.2 試驗(yàn)鋼在不同冷卻方式下的力學(xué)性能

表1是四種熱處理工藝下的力學(xué)性能測試結(jié)果，可見，試驗(yàn)鋼的軋態(tài)、空冷和爐冷的塑性指標(biāo)相近，軋態(tài)抗拉強(qiáng)度達(dá)到450M P a以上，而隨爐冷卻的試樣屬于平衡組織，因而具有最低的強(qiáng)度和最高的塑性，但硬度值最低。同時，由表1的數(shù)據(jù)及圖3的結(jié)果可以看出，冷卻速度越慢，組織類型越接近于平衡態(tài)，鐵素體越表現(xiàn)出等軸晶的特征，材料的n值（加工硬化率）明顯較高。這可能是由于等軸狀的多邊形鐵素體中位錯密度很低，發(fā)生塑性變形后位錯密度快速上升，產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化，最終測得的n值明顯上升；而當(dāng)冷卻速度加快時，相變后的組織中存在較多的位錯，雖使得其強(qiáng)度上升，但加工硬化能力減弱，故測得的n值較低。這表明在細(xì)小的鐵素體晶粒之間獲得部分較大的多邊形鐵素體，得到雙峰尺度鐵素體組織，有利于獲得相對較高的n值。

表1 低碳鋼的力學(xué)性能指標(biāo)

圖3 不同冷卻速度下的低碳鋼組織形貌

2.3 試驗(yàn)鋼在不同冷卻方式下的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征

通過應(yīng)力應(yīng)變曲線的分析，可以深入了解材料在外力作用下的變形過程，分析組織類型對其屈服及斷裂過程的影響。室溫下的拉伸結(jié)果如圖4所示。從曲線形狀上來看，隨爐冷卻和空冷條件下獲得的試驗(yàn)鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線與軋態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本相似，均具有明顯的屈服平臺。隨后應(yīng)力隨應(yīng)變緩慢上升，并在應(yīng)變達(dá)到15%后趨于平穩(wěn)，發(fā)生斷裂時的應(yīng)變量在35%～40%之間。爐冷試樣由于強(qiáng)度較低，因此在拉伸過程中的各個階段應(yīng)力值相對較低。淬火條件下獲得的試驗(yàn)鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線則沒有屈服平臺。屈服平臺是由于“柯氏氣團(tuán)”對位錯的釘扎與脫釘產(chǎn)生的，在快速冷卻組織中雜質(zhì)原子來不及聚集于位錯周圍，對位錯運(yùn)動不產(chǎn)生釘扎，同時由圖3可以看出水冷后的組織為低碳板條馬氏體，其中存在大量的各類界面（如原奧氏體晶晶界、板條界、板條束界等），當(dāng)位錯運(yùn)動至這些界面時即受到阻礙作用，產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化，因此在應(yīng)力應(yīng)變曲線上不存在屈服平臺，但由于位錯運(yùn)動受阻也會導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，當(dāng)局部內(nèi)應(yīng)力超過材料的斷裂強(qiáng)度時即發(fā)生破壞，導(dǎo)致塑性變差，圖4c）中水冷處理試樣在應(yīng)變10%左右時即發(fā)生斷裂。

圖4 不同冷卻速度下低碳鋼的ε-σ曲線

Q235鋼是一種普通的C-M n鋼，M n含量相對較低，沒有添加合金元素，生產(chǎn)成本低，但附加值也低[4-6]。由以往研究結(jié)果可知，如果單相組織中有雙峰尺寸分布的晶粒，對其力學(xué)性能將產(chǎn)生顯著的有益影響，這正是開展普通低碳鋼研究的必要性之一。本文的研究結(jié)果可以提供在基本熱處理?xiàng)l件下的低碳鋼的組織性能變化規(guī)律，為進(jìn)一步深入開展雙峰分布研究，提供數(shù)據(jù)參考。

3 結(jié)論

1）Q235B試驗(yàn)鋼奧氏體化后隨爐冷卻、空冷及水冷，將得到平衡的鐵素體+珠光體組織、魏氏體組織和板條馬氏體組織，而粗大的多邊形鐵素體的存在有利于材料獲得高的加工硬化指數(shù)。

2）軋態(tài)、空冷和隨爐冷卻后的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律相似，具有明顯的屈服平臺；淬火組織中由于存在大量的界面缺陷阻礙位錯運(yùn)動，因此表現(xiàn)為連續(xù)屈服。

［1］郭佳，楊善武，尚成嘉，等.碳含量和組織類型對低合金鋼耐蝕性的影響［J］.鋼鐵，2008，43（9）：58-62.

［2］武會賓，武鳳娟，楊善武，等.微米/亞微米雙峰尺度奧氏體組織形成機(jī)制［J］.金屬學(xué)報(bào)，2014，50（3）：269-274.

［3］馬泗春.材料科學(xué)基礎(chǔ)［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

［4］竇佩霞，王從道.Q235鋼升級生產(chǎn)中的工藝技術(shù)研究［J］.南鋼科技與管理，2013（2）：9-13.

［5］李茂林，張文廣，楊承剛，等.超細(xì)晶粒Q235鋼的制備研究［J］.熱加工工藝，2013，42（24）：117-120.

［6］趙軍，荊天輔，高聿，等.Q235鋼超細(xì)晶粒鋼板的制備［J］.熱加工工藝，2003，32（4）：4-6.

Influence of Cooling Process on Microstructure and Mechanical Properties of Q235 Low Carbon Steel

LIYu-sen1，YANG Yue-hui2，LI Jing2，YUAN Shao-qiang2
（1.Tangshan DunshiMachinery CO.，LTD.，Tangshan Hebei063000，China；2.Departmentof Electromechanical Engineering，Tangshan College，Tangshan Hebei063000，China）

Differentmicrostructures have been obtained by means of different cooling process after austenization with hot rolled Q235B steel，then themechanical properties have also been measured.The experimental results demonstrates that:after isothermal holding at 930℃for 20min，followed by cooling in furnace，in air and quenched in water，the formation of ferrite with little pearlite，widmanstatten structure and martensite can be observed.The results of tensile testing show that theε-σcurves of samples rolled，cooled in furnace and in air all have obvious yielding flat，and the presence of coarse polygonal ferrite is beneficial to obtain high processing hardening index，while theε-σcurve of quenched sample is shown as continuous yield.

low carbon steel，cooling process，ε-σcurve，mechanical property

TG335.52

A

1674-6694（2017）03-0048-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.016

收修改稿日期:2017-04-05

李雨森（1962-），男，高級工程師，主要從事建材機(jī)械裝備制造生產(chǎn)技術(shù)管理工作。