厚規(guī)格Q690D高強(qiáng)鋼板的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為

李 敬， 劉 辰， 楊躍輝， 苑少?gòu)?qiáng)， 艾晨光

(1. 唐山學(xué)院 河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過(guò)程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 唐山 063000；2. 河北建支鑄造集團(tuán)有限公司， 河北 唐山 064100)

Q690D鋼板因具備較高的強(qiáng)度、良好的焊接性和沖擊韌性，被廣泛地應(yīng)用于能源、建筑、交通、工程機(jī)械等行業(yè)[1-4]。對(duì)于厚規(guī)格的鋼板，特別是100 mm以上的鋼板，在某些行業(yè)尤其是煤礦機(jī)械上具有廣泛的用途[5-6]，但研究卻相對(duì)較少。CCT曲線可以預(yù)測(cè)不同冷速下試驗(yàn)合金的組織及性能特征，為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)參考[7-9]。本文擬通過(guò)熱模擬試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)的100 mm厚Q690D高強(qiáng)鋼板進(jìn)行CCT曲線測(cè)定，預(yù)測(cè)不同冷卻速度下組織的變化過(guò)程，在合理優(yōu)化成分設(shè)計(jì)和熱處理工藝條件下，以確保實(shí)際生產(chǎn)中厚規(guī)格鋼板在厚度方向上組織及性能的高度均勻性。

1 試驗(yàn)材料及方法

在試驗(yàn)生產(chǎn)的100 mm厚Q690D熱軋鋼板上取樣，加工成φ8 mm×55 mm的熱模擬試樣，其化學(xué)成分如表1所示。將試樣在Gleeble-1500熱模擬機(jī)上以10 ℃/s 的升溫速度快速加熱到1000 ℃，保溫3 min，然后以不同的冷卻速度(0.1、0.5、1、3、5、10、15、20、30、40和50 ℃/s)連續(xù)冷卻至室溫，自動(dòng)測(cè)定不同速度下試樣的冷卻曲線。

表1 Q690D試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

在熱模擬試樣長(zhǎng)度中心切割金相試樣，經(jīng)研磨、拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液侵蝕，然后在奧林巴斯BM41正置光學(xué)顯微鏡上觀察其組織。在HD9-45表面維氏洛氏顯微硬度計(jì)上測(cè)量不同冷速下試樣的維氏硬度，載荷為294 N。對(duì)實(shí)際生產(chǎn)調(diào)質(zhì)后鋼板取樣，觀察鋼板表層、1/4處及1/2處的顯微組織。

圖1 不同冷卻速度下Q690D鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of the Q690D steel cooled at different rates(a) 0.1 ℃/s; (b) 0.5 ℃/s; (c) 1 ℃/s; (d) 3 ℃/s; (e) 5 ℃/s; (f) 10 ℃/s; (g) 15 ℃/s; (h) 20 ℃/s; (i) 30 ℃/s; (j) 40 ℃/s; (k) 50 ℃/s; (l) 水淬 (water quenched)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同冷卻速度下的顯微組織

試樣完全奧氏體化后，以不同冷卻速度冷至室溫的顯微組織如圖1所示?？梢钥闯?，當(dāng)冷卻速度為0.1 ℃/s時(shí)(圖1(a))，組織為先共析鐵素體、珠光體以及少量的貝氏體，由于原始奧氏體晶粒較為粗大，故組織中有較多的魏氏組織，呈粗大的針狀。當(dāng)冷速為0.5～1 ℃/s 時(shí)(見(jiàn)圖1(b,c))，先共析鐵素體消失，形成了單一的粒狀貝氏體組織，由于冷速仍較慢，合金元素能進(jìn)行較長(zhǎng)距離的擴(kuò)散，所以粒狀貝氏體中形成的是塊狀的M/A島。冷速為3 ℃/s(見(jiàn)圖1(d))時(shí)，由于冷卻速度較快，組織中開(kāi)始出現(xiàn)板條貝氏體，同時(shí)粒狀貝氏體中的M/A島消失，主要以碳化物為主。冷速在5～10 ℃/s(見(jiàn)圖1(e,f))之間時(shí)，隨著冷速的增加，組織中的板條貝氏體逐漸增多，而粒狀貝氏體相應(yīng)減少，冷速10 ℃/s冷卻后的組織中粒狀貝氏體基本消失。冷卻速度達(dá)到15 ℃/s后，組織中的粒狀貝氏體基本消失，組織為板條貝氏體，且組織中開(kāi)始出現(xiàn)少量的馬氏體。繼續(xù)提高冷卻速度，冷卻速度從15 ℃/s一直到水淬，組織特征基本相同，未發(fā)生明顯的改變，但其中的板條馬氏體含量逐漸增加，如圖1(g～l)所示。隨著冷卻速度的提高，板條貝氏體逐漸減少，直至形成完全淬火馬氏體，如圖1(l)所示。

2.2 不同冷卻速度下的硬度

不同冷卻速度下試樣的硬度變化如圖2所示。冷卻速度低于15 ℃/s時(shí)，依次出現(xiàn)鐵素體+珠光體、粒狀貝氏體、板條貝氏體組織，這導(dǎo)致測(cè)得的硬度逐漸升高；當(dāng)冷速高于15 ℃/s時(shí)，隨著冷速的升高，組織類(lèi)型未發(fā)生明顯的改變，板條貝氏體逐漸減少，但其中的板條馬氏體含量逐漸增加，由于板條貝氏體組織同樣具有較高的強(qiáng)度和硬度，所以測(cè)得的硬度值基本未發(fā)生變化。水冷后所獲組織基本為馬氏體組織，因此硬度又有明顯的上升。

圖2 不同冷卻速度下Q690D鋼的硬度Fig.2 Hardness of the Q690D steel cooled at different rates

2.3 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

綜合圖1組織變化規(guī)律及圖2硬度變化曲線，Q690D鋼板的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線如圖3所示。由CCT曲線可以看出，當(dāng)冷速較低時(shí)，組織中存在先共析鐵素體和珠光體區(qū)域，但其范圍較??；試驗(yàn)鋼在較寬的冷速范圍內(nèi)能夠獲得粒狀貝氏體、粒狀貝氏體+板條貝氏體的組織。同時(shí)，由于試驗(yàn)鋼的淬透性較好，冷速達(dá)到15 ℃/s 以上后組織中出現(xiàn)馬氏體。馬氏體相變開(kāi)始溫度約為439 ℃。

圖3 Q690D鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線Fig.3 Continuous cooling transformation curves of the Q690D steel

2.4 實(shí)際應(yīng)用中Q690D鋼板的組織特征

Q690D鋼板最終的使用狀態(tài)是調(diào)質(zhì)態(tài)，圖4為調(diào)質(zhì)(水淬+620 ℃回火)后的100 mm厚鋼板不同位置處的顯微組織，可見(jiàn)在鋼板的表面、1/4處及1/2處，均為細(xì)小的回火馬氏體，從上文中連續(xù)冷卻的熱模擬結(jié)果來(lái)看，試驗(yàn)鋼板在很大的冷速范圍內(nèi)，組織類(lèi)型及硬度變化穩(wěn)定。由圖4(b，c)可見(jiàn)，板厚1/4處組織與鋼板表面組織極為接近，僅出現(xiàn)了少量的粒狀貝氏體，表明在所設(shè)計(jì)的成分下，試驗(yàn)鋼具有良好的淬透性。對(duì)于100 mm的大厚度鋼板而言，其心部冷速較慢，但試驗(yàn)鋼中仍然得到了以板條馬氏體(回火前)為主的回火馬氏體組織。

圖4 調(diào)質(zhì)態(tài)Q690D鋼板的顯微組織(a)表面；(b)1/4厚；(c)1/2厚Fig.4 Microstructure of the quenched and tempered Q690D steel plate(a) surface; (b) 1/4 thickness; (c) 1/2 thickness

綜上所述，由于本試驗(yàn)鋼板添加了微量B元素，合適的微Ti處理，節(jié)省了貴金屬元素Ni，提高了試驗(yàn)鋼淬透性[10-11]，保證了100 mm厚規(guī)格鋼板的截面Z向的組織性能均勻；同時(shí)合理軋制及冷卻工藝的制訂，保證了細(xì)小組織的遺傳?？梢?jiàn)，通過(guò)CCT曲線的分析，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，能夠指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，厚規(guī)格Q690D高強(qiáng)鋼板在厚度方向上的組織性能均勻性得到了很好的體現(xiàn)。

3 結(jié)論

1) CCT曲線分析表明，Q690D高強(qiáng)度試驗(yàn)鋼在較寬的冷速范圍內(nèi)能夠獲得粒狀貝氏體、粒狀貝氏體+板條貝氏體的組織。而且試驗(yàn)鋼淬透性較好，冷速達(dá)到15 ℃/s以上后組織中即出現(xiàn)馬氏體，硬度值變化不明顯。

2) 試驗(yàn)鋼板的調(diào)質(zhì)組織由細(xì)小的回火馬氏體及微量的貝氏體組成，截面Z向組織與性能均勻，同CCT曲線的分析結(jié)果一致。