時(shí)效溫度對含Cu高強(qiáng)鋼組織和性能的影響

馬長文 樊艷秋 李少坡 張 海 丁文華

(1.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京 100043； 2.北京市能源用鋼工程技術(shù)研究中心，北京 100043)

傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋼板是在低碳低合金鋼的基礎(chǔ)上，通過調(diào)質(zhì)熱處理獲得回火索氏體組織，以達(dá)到高強(qiáng)度和高韌性的配合。為了確保較厚規(guī)格鋼板具有足夠的淬透性，鋼中通常需要添加較高含量的Ni、Cr、Mo等合金元素。鋼的強(qiáng)度級別越高，添加的合金元素含量也相應(yīng)增加。但合金元素含量的增加會導(dǎo)致碳當(dāng)量大幅度增加，對焊接性能產(chǎn)生不利影響[1- 3]。Cu作為強(qiáng)化元素常被添加到鋼中，以提高鋼的強(qiáng)度、耐腐蝕性、抗疲勞性、抗蠕變強(qiáng)度和沖擊韌性，同時(shí)改善材料的焊接性能、成型性能與機(jī)加工性能等[4- 8]。本文設(shè)計(jì)了一種含Cu高強(qiáng)鋼，研究了其在不同溫度時(shí)效后組織和性能的變化，并探討了Cu的析出強(qiáng)化規(guī)律，為后續(xù)的工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼采用50 kg真空感應(yīng)爐冶煉，化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the tested steel (mass fraction) %

1.2 軋制及熱處理工藝

將鋼錠加熱到1 000 ℃鍛造成130 mm×130 mm×260 mm的坯料，鋼坯于1 200 ℃保溫2 h后，經(jīng)7道次軋至20 mm厚，然后冷卻至室溫，再分別于450、500、550、600 ℃保溫30 min空冷進(jìn)行時(shí)效處理。

1.3 試驗(yàn)方法

將時(shí)效后試樣沿軸向切開，經(jīng)磨、拋后，用體積分?jǐn)?shù)為3%的硝酸酒精溶液腐蝕，在LSM 700型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。沿鋼板橫向切取拉伸試樣，尺寸φ3 mm×15 mm，在Schenck- 100 kN型液壓伺服拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)。沿鋼板橫向切取V型缺口沖擊試樣，尺寸10 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)溫度為-30、-40 ℃。利用DHV- 1000Z型維氏硬度計(jì)測量硬度，試驗(yàn)力為10 g。用電解雙噴減薄法制備透射電鏡(TEM)薄膜試樣，電解液的成分及體積分?jǐn)?shù)為5%高氯酸+95%甲醇，雙噴液溫度為-20 ℃，電壓為18 V，使用H- 800型透射電鏡對析出相進(jìn)行微觀分析。采用EPMA- 1720型電子探針分析儀對析出相進(jìn)行元素面掃描。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 時(shí)效溫度對組織和硬度的影響

如圖1所示，試驗(yàn)鋼在不同溫度時(shí)效處理后的顯微組織以貝氏體為主。試驗(yàn)鋼在熱機(jī)軋制(thermo mechanical control process, TMCP)態(tài)下的組織為粒狀貝氏體和多邊形鐵素體，及部分板條貝氏體，如圖1(a)所示。經(jīng)450、500 ℃時(shí)效30 min后，組織發(fā)生了一定程度的合并，但晶粒長大并不明顯，如圖1(b,c)所示。當(dāng)時(shí)效溫度提高至550、600 ℃時(shí)，多邊形鐵素體的比例明顯升高，粒狀貝氏體和板條貝氏體的比例明顯下降，如圖1(d,e)所示。即隨著時(shí)效溫度的升高，組織逐漸向多邊形鐵素體轉(zhuǎn)變。不同時(shí)效溫度下試樣的顯微硬度如圖2所示。與TMCP態(tài)試樣相比，時(shí)效處理后試樣的硬度整體下降，且隨著時(shí)效溫度的升高，硬度逐漸下降。TMCP態(tài)試樣的平均硬度約237 HV0.01，450、500、550、600 ℃時(shí)效試樣的平均硬度分別降至227、219、212、198 HV0.01。即隨著時(shí)效溫度的升高，組織在向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中硬度逐漸下降，發(fā)生了一定程度的軟化。

圖1 試驗(yàn)鋼在不同溫度時(shí)效30 min后的顯微組織Fig.1 Microstructures of the tested steels after aging at different temperatures for 30 min

圖2 試驗(yàn)鋼在不同溫度時(shí)效30 min后的硬度Fig.2 Hardness of the tested steels after aging at different temperatures for 30 min

2.2 時(shí)效溫度對性能的影響

試驗(yàn)鋼的拉伸性能隨時(shí)效溫度的變化如圖3(a)所示。整體上，試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨著時(shí)效溫度的升高而不斷升高，550 ℃達(dá)到時(shí)效峰值，之后繼續(xù)升高溫度，強(qiáng)度有所下降。其中，TMCP態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為616、744 MPa。450 ℃時(shí)效30 min試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了約34、15 MPa。500 ℃時(shí)效30 min試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高至672、764 MPa。隨后，550 ℃時(shí)效的強(qiáng)度達(dá)到峰值，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為692、789 MPa。當(dāng)溫度進(jìn)一步上升至600 ℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別下降至668、770 MPa。與傳統(tǒng)X80管線鋼相比，試驗(yàn)鋼經(jīng)不同工藝時(shí)效處理后，其屈服強(qiáng)度提高了90～170 MPa，抗拉強(qiáng)度提高了130～160 MPa。隨著時(shí)效溫度的升高，試樣的斷后伸長率在14%～16%之間，變化幅度較小。試驗(yàn)鋼在不同時(shí)效溫度下的低溫沖擊性能變化如圖3(b)所示。對比可見，試驗(yàn)鋼在550 ℃時(shí)效后的沖擊性能優(yōu)于在其他溫度時(shí)效后的沖擊性能。因此，在550 ℃時(shí)效30 min的試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能最優(yōu)。

圖3 不同時(shí)效溫度下試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of the tested steels under different aging temperatures

2.3 時(shí)效溫度對析出相的影響

如圖4所示，試驗(yàn)鋼經(jīng)450、500、550 ℃時(shí)效30 min后，基體中析出了大量納米級析出物且均勻分布。550 ℃時(shí)效析出相的EPMA面分析結(jié)果如圖5所示，顯示其為富Cu析出物。時(shí)效溫度升高至600 ℃，富Cu析出物略有長大，如圖4(c)所示。即隨著時(shí)效溫度的升高，Cu元素偏聚程度增加，導(dǎo)致析出相長大。

時(shí)效溫度是影響時(shí)效后強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，因?yàn)闇囟戎苯佑绊慍u在基體中的擴(kuò)散系數(shù)，由擴(kuò)散公式：

(1)

式中：D為擴(kuò)散系數(shù)，D0為頻率因子，Q為擴(kuò)散激活能，R為常數(shù)，T為溫度。可以看出，溫度T越高，擴(kuò)散系數(shù)D越大。即隨著溫度的升高，Cu原子在鋼中的擴(kuò)散加快，析出相數(shù)量不斷增多，析出強(qiáng)化導(dǎo)致的強(qiáng)度增量計(jì)算公式為：

(2)

式中：泰勒因子M=2，G為剪切模量(室溫下為80 GPa)，伯格斯矢量b為0.248 nm，?為泊松系數(shù)(0.291)，d為粒子的平均直徑，f是析出物的體積分?jǐn)?shù)?？梢钥闯?，強(qiáng)度增量與第二相的體積分?jǐn)?shù)成正比，與第二相尺寸成反比。因此，一方面，隨著時(shí)效溫度的升高，析出物的數(shù)量不斷增多，體積分?jǐn)?shù)不斷增大，導(dǎo)致析出強(qiáng)化效果不斷增強(qiáng)。但當(dāng)溫度升高至600 ℃時(shí)，組織的軟化效果進(jìn)一步增強(qiáng)，析出強(qiáng)化效果與組織軟化效果的綜合作用導(dǎo)致強(qiáng)度有所下降，因此，550 ℃時(shí)效鋼的強(qiáng)度達(dá)到峰值。

圖4 試驗(yàn)鋼中富Cu納米析出相的TEM圖像Fig.4 TEM images of Cu- rich nanoprecipitates in the tested steels

圖5 試驗(yàn)鋼在550 ℃時(shí)效30 min后的析出相形貌(a)及EPMA面掃圖(b～f)Fig.5 Morphology (a) and EPMA surface scans(b～f) of precipitated phase in the tested steel after aging at 550 ℃ for 30 min

3 結(jié)論

(1)隨著時(shí)效溫度的升高，試驗(yàn)鋼的組織逐漸向多邊形鐵素體轉(zhuǎn)變，硬度逐漸下降，組織發(fā)生了一定程度的軟化。

(2)隨著時(shí)效溫度的升高，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和低溫沖擊韌性總體上不斷升高，且在550 ℃達(dá)到時(shí)效峰值。

(3)600 ℃時(shí)效時(shí)，組織軟化效果進(jìn)一步增強(qiáng)，析出強(qiáng)化效果與組織軟化效果的綜合作用導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度有所下降。