在線淬火對(duì)高強(qiáng)度鋼板組織轉(zhuǎn)變及力學(xué)性能的影響

馬長文，狄國標(biāo)，王凱凱，黃樂慶，路士平

(首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京 100041)

0 引 言

自20世紀(jì)80年代以來，作為節(jié)能技術(shù)之一的在線淬火工藝隨著控冷技術(shù)的發(fā)展成熟而逐步引入到高強(qiáng)度中厚板的生產(chǎn)中[1-4]。在線淬火工藝是指當(dāng)軋后鋼板仍處于奧氏體狀態(tài)時(shí)，采用布置在軋機(jī)后的超快速冷卻裝置(UFC)使其在大于馬氏體轉(zhuǎn)變臨界冷卻速率的條件下冷卻至200 ℃以下，以獲得馬氏體或貝氏體組織的一種技術(shù)。與傳統(tǒng)離線淬火工藝相比，在線淬火工藝在降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期、簡(jiǎn)化工藝流程方面具有較大的優(yōu)勢(shì)[5-7]；同時(shí)，在線淬火工藝對(duì)鋼板力學(xué)性能、碳化物以及二次相的析出行為均會(huì)產(chǎn)生重要影響[8-10]。但是，目前仍存在在線淬火工藝對(duì)性能影響規(guī)律不清晰的問題。為了保證大型工程結(jié)構(gòu)的安全性，人們對(duì)調(diào)質(zhì)鋼板的強(qiáng)韌性提出了更高的要求，而淬火工藝的不同會(huì)導(dǎo)致最終鋼板獲得的組織和性能存在一定差異。因此，作者對(duì)比研究了離線淬火及在線淬火并經(jīng)回火處理的高強(qiáng)度鋼板的力學(xué)性能，分析了在線淬火工藝下鋼板組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，以期為在線淬火工藝在高品質(zhì)調(diào)質(zhì)鋼板生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為高強(qiáng)度鋼，由200 t轉(zhuǎn)爐冶煉，主要化學(xué)成分見表1，碳當(dāng)量為0.42。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

將鋼坯加熱到1 180～1 220 ℃后采用兩階段控軋工藝進(jìn)行軋制，粗軋開軋溫度高于1 000 ℃，待溫坯厚度為75 mm，精軋開軋溫度不高于900 ℃，目標(biāo)厚度為25 mm，開冷溫度為(800±40)℃，在線淬火工藝的終冷溫度不高于200 ℃，離線淬火工藝的終冷溫度為(550±30)℃。離線淬火需將鋼板重新加熱至900 ℃完全奧氏體化后再進(jìn)行淬火，隨后進(jìn)行600 ℃回火熱處理，在線淬火則是在軋制完成后直接淬火并進(jìn)行600 ℃回火熱處理。在線淬火與離線淬火的冷卻方式均為水冷。

為確定兩種淬火工藝的冷卻速率，保證試驗(yàn)鋼在冷卻過程中發(fā)生馬氏體相變，需要測(cè)定其過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線以確定馬氏體轉(zhuǎn)變臨界冷卻速率。在Gleeble 2000D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上將試樣加熱至900 ℃保溫180 s后，分別以40，35，30，25，20，15，10，5 ℃·s-1的冷卻速率冷卻至室溫，測(cè)定不同冷卻速率下的膨脹曲線，采用切線法確定相變點(diǎn)。在不同冷卻速率下的試樣上取樣，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精腐蝕后，在Leica MEF4A型光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織。采用LM300AT型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試硬度，載荷1.961 N，保載時(shí)間10 s。采用上述數(shù)據(jù)并結(jié)合顯微組織觀察，繪制試驗(yàn)鋼的CCT曲線。

垂直于軋向取樣，按照GB/T 228.1-2010，在SHT4106型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試樣平行段寬度為25 mm，標(biāo)距為140 mm，拉伸應(yīng)變速率為0.000 25 s-1，試驗(yàn)溫度為23 ℃；平行于軋向取樣，按照GB/T 229-2007，在2602-3型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行-20 ℃沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，開V型缺口。在鋼板上取樣，經(jīng)研磨、拋光，使用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Leica MEF4A型光學(xué)顯微鏡和Hitachi S3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織；將機(jī)械研磨和拋光后的試樣用體積分?jǐn)?shù)10%的高氯酸乙醇溶液電解拋光后，利用電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)進(jìn)行晶粒取向分析。垂直于軋向切取厚度為0.3 mm的薄片，手工打磨至約40 μm，用體積分?jǐn)?shù)6%的高氯酸乙醇溶液雙噴離子減薄后，采用JEOL JEM-2100F型透射電鏡(TEM)觀察微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 CCT曲線

由圖1和圖2分析可知：當(dāng)冷卻速率低于25 ℃·s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼組織中除了馬氏體之外，仍存在一定量的鐵素體與貝氏體；當(dāng)冷卻速率在25～30 ℃·s-1時(shí)，組織中仍存在極少量的貝氏體，冷卻速率大于35 ℃·s-1時(shí)，組織為全馬氏體，此時(shí)試驗(yàn)鋼的硬度不小于370 HV。當(dāng)冷卻速率為20 ℃·s-1時(shí)，組織中仍含有少量鐵素體，高強(qiáng)鋼組織中的鐵素體會(huì)影響其強(qiáng)度，因此淬火時(shí)的冷卻速率應(yīng)不低于25 ℃·s-1。當(dāng)冷卻速率不低于25 ℃·s-1時(shí)，硬度均在360 HV以上?；谠摻Y(jié)果，通過冷卻控制模型，將在線淬火和離線淬火工藝的平均冷卻速率控制在25～35 ℃·s-1。

圖1 試驗(yàn)鋼的CCT曲線

圖2 不同冷卻速率下試驗(yàn)鋼板的顯微組織

2.2 淬火工藝對(duì)顯微組織的影響

由圖3可知，兩種工藝淬火+回火后試驗(yàn)鋼板的顯微組織均為回火馬氏體，但其形貌差異明顯。在線淬火保持了試驗(yàn)鋼板軋制后的晶粒拉長形態(tài)，晶粒呈明顯的縱向延伸形貌，馬氏體板條束間距較??；離線淬火+回火后的試驗(yàn)鋼板加熱至900 ℃奧氏體化經(jīng)歷了奧氏體重新形核及長大過程，因此原奧氏體晶粒為等軸狀，轉(zhuǎn)變形成的馬氏體板條束間距較大，并且組織中的碳化物析出明顯。

圖3 不同工藝淬火+600 ℃回火后試驗(yàn)鋼板的顯微組織

由圖4可知，在線淬火+回火后試驗(yàn)鋼板中的馬氏體板條塊尺寸更加細(xì)小，其大角度晶界含量(面積分?jǐn)?shù))為38.2%，高于離線淬火+回火后的(29.3%)。在線淬火工藝下試驗(yàn)鋼板具有更細(xì)的板條尺寸和更高含量的大角度晶界。

圖4 不同工藝淬火+600 ℃回火后試驗(yàn)鋼板的反極圖和取向差分布

由圖5可知：與離線淬火試驗(yàn)鋼板相比，在線淬火后試驗(yàn)鋼板中的馬氏體板條間距更小，板條更長，位錯(cuò)密度更高；離線淬火+回火后馬氏體板條中出現(xiàn)明顯粗化的碳化物，在線淬火+回火后的碳化物尺寸更小。此外，在線淬火后馬氏體板條中分布有高密度位錯(cuò)，該類組織有利于提高材料強(qiáng)度。

圖5 不同熱處理工藝下試驗(yàn)鋼板中馬氏體板條及碳化物形貌

離線淬火時(shí)試驗(yàn)鋼板需冷至室溫狀態(tài)，再重新加熱至900 ℃至完全奧氏體化狀態(tài)，其奧氏體為重新形核長大的奧氏體；在線淬火則是試驗(yàn)鋼板在軋后直接快速冷卻，奧氏體為加工硬化后的奧氏體。加工硬化的奧氏體發(fā)生馬氏體相變時(shí)，馬氏體保留了軋向拉長的形態(tài)，同時(shí)由于軋制過程中產(chǎn)生的大量位錯(cuò)等缺陷保留在組織中，在線淬火時(shí)試驗(yàn)鋼板發(fā)生馬氏體相變前的相變驅(qū)動(dòng)力較大，形成的馬氏體板條塊較細(xì)且長，大角度晶界含量更高。此外，在線淬火工藝下的奧氏體經(jīng)歷了未再結(jié)晶區(qū)的熱變形加工，相變后的馬氏體位錯(cuò)包括馬氏體切變型相變產(chǎn)生的位錯(cuò)和原奧氏體內(nèi)部位錯(cuò)，因此在線淬火工藝下試驗(yàn)鋼板中的位錯(cuò)密度明顯高于離線淬火工藝下的。

2.3 淬火工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

由表2可以看出：在線淬火試驗(yàn)鋼板的屈服強(qiáng)度和沖擊吸收功高于離線淬火試驗(yàn)鋼板，但塑性低于離線淬火試驗(yàn)鋼板；在線淬火+回火后試驗(yàn)鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于離線淬火+回火后的，塑性和沖擊韌性則低于離線淬火+回火后的。

表2 不同工藝熱處理后試驗(yàn)鋼板的力學(xué)性能

結(jié)合組織分析可知，由于位錯(cuò)密度較高，馬氏體板條塊、碳化物析出相較細(xì)，在線淬火+回火后試驗(yàn)鋼板的強(qiáng)度高于離線淬火+回火后的強(qiáng)度，但離線淬火+回火后試驗(yàn)鋼板的沖擊吸收功更高。通常認(rèn)為，韌性與大角度晶界含量呈正比[11-12]。在線淬火+回火后試驗(yàn)鋼板中的大角度晶界含量更高，但韌性卻相對(duì)更差，這可能與在線淬火后鋼內(nèi)較高的位錯(cuò)密度以及非等軸狀馬氏體明顯的擇優(yōu)取向有關(guān)。

3 結(jié) 論

(1)在線淬火/離線淬火+回火后試驗(yàn)鋼板的顯微組織均為回火馬氏體，離線淬火時(shí)鋼板中的奧氏體為重新形核長大的等軸狀?yuàn)W氏體，冷卻過程中發(fā)生相變形成板條束間距較大的板條馬氏體；在線淬火時(shí)的奧氏體保留了軋制時(shí)的拉長形態(tài)，相變形成的馬氏體板條間距更小、板條更長。在線淬火+回火工藝下的試驗(yàn)鋼板具有更高的位錯(cuò)密度和大角度晶界含量，同時(shí)碳化物析出相的尺寸更加細(xì)小。

(2)與離線淬火+回火工藝相比，在線淬火+回火工藝下試驗(yàn)鋼板的強(qiáng)度更高，但塑性及韌性略差。