盧峰１，王 超１，杜申娟２，李遠(yuǎn)遠(yuǎn)１，王昭東１，王國棟１
（１．東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 １１０８１９；
２．重慶長安汽車股份有限公司動(dòng)力研究院，重慶?。矗埃保保玻埃?/span>
摘 要：研究了超快冷工藝參數(shù)對低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼的組織性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)鋼在軋后空冷以及快速冷卻至５２０℃左右時(shí)，均得到粒狀貝氏體組織，粗大的Ｍ／Ａ島降低了沖擊韌性?？炖渲粒玻保?nbsp;℃以下時(shí)得到全部的板條馬氏體組織，達(dá)到了直接淬火的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用在線直接淬火回火工藝時(shí)鋼板的綜合力學(xué)性能優(yōu)于離線淬火工藝，表明超快冷條件下在線熱處理技術(shù)在發(fā)展減量化高性能鋼中具有優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：超快冷；低合金高強(qiáng)鋼；直接淬火；力學(xué)性能
工程機(jī)械、礦山機(jī)械等行業(yè)的發(fā)展對高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)和工藝性能提出了更高的要求［１］。屈服強(qiáng)度為９６０～１１００ＭＰａ級高強(qiáng)鋼是目前制造高端工程機(jī)械產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)材料。我國許多生產(chǎn)企業(yè)對該等級鋼的生產(chǎn)方式仍采用控軋控冷加離線調(diào)質(zhì)熱處理工藝。然而，近年來直接淬火工藝在中厚板生產(chǎn)中的應(yīng)用逐漸增多，其不僅可使鋼材的強(qiáng)度成倍提高，而且在低溫韌性、焊接性能、抑制裂紋擴(kuò)展、鋼板均勻冷卻以及板形控制等方面都比傳統(tǒng)工藝優(yōu)越［２］。本文設(shè)計(jì)了低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼的在線超快速冷卻實(shí)驗(yàn)，研究了冷卻工藝參數(shù)對其組織和性能的影響。
１實(shí)驗(yàn)材料及方法
實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）：ｗ（Ｃ）＝０．１６％，ｗ（Ｓｉ）＝ ０．２０％，
ｗ（Ｍｎ）＝１．４５％，ｗ（Ｃｒ）＝ ０．５％，ｗ（Ｍｏ）＝ ０．５％，ｗ（Ａｌｓ）
＝０．０２％，ｗ（Ｂ）＝０．００１５％，ｗ（Ｐ）＝ ０．００８％，ｗ（Ｓ）＝ ０．００２％，Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ微量添加。采用１５０ｋｇ真空感應(yīng)爐冶煉并澆鑄成錠，鍛造成截面尺寸１００ｍｍ×１００ｍｍ的長方坯。
將鋼坯鋸切成適合長度并在東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家實(shí)驗(yàn)室Φ４５０ｍｍ
軋機(jī)上進(jìn)行軋制和冷卻實(shí)驗(yàn)。鋼坯在箱式電阻爐中加熱至１２００℃保溫１ｈ，并采用兩階段控制軋制工藝。奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制開軋溫度１０５０℃，道次壓下率大于２０％，累積壓下率７０％；未再結(jié)晶區(qū)軋制開軋溫度為９００ ℃，經(jīng)６道次軋至目標(biāo)厚度１２ｍｍ，累積壓下率６０％。軋后利用實(shí)驗(yàn)軋機(jī)配置的超快冷設(shè)備冷至不同溫度，然后空冷至室溫。
并將直接淬火的鋼板進(jìn)行回火實(shí)驗(yàn)，回火溫度６００℃，回火時(shí)間１ｈ。對軋后空冷鋼板進(jìn)行離線再加熱淬火，加熱溫度９３０ ℃，加熱時(shí)間１６ｍｉｎ，然后在６００ ℃回火４０ｍｉｎ。實(shí)驗(yàn)冷卻工藝參數(shù)如表１所示。
檢測不同工藝下鋼板橫向（垂直軋制方向）拉伸性 能，試 樣 加 工 成Φ６ ｍｍ
的 圓 棒，標(biāo) 距３０ｍｍ，平行長度４２ｍｍ，在ＷＡＷ－１０００型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率１ｍｍ／ｍｉｎ；檢測鋼板縱向（沿軋制方向）Ｖ型缺口夏比沖擊性能，試樣尺寸１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ，在Ｉｎｓｔｒｏｎ ９２５０ＨＶ落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度－４０℃。
為觀察鋼板顯微組織，于鋼板縱剖面（沿軋制方向）制取試樣，試樣表面打磨拋光后用
４％硝酸酒精溶液腐蝕至灰暗色，采用ＬＥＩＣＡ?。眩担担埃桑坠鈱W(xué)顯微鏡（ＯＭ）和ＦＥＩ Ｑｕａｎｔａ?。叮埃皰呙桦娮语@微鏡（ＳＥＭ）觀察顯微組織。采用雙噴電解減薄
方法制取透射電子顯微鏡（ＴＥＭ）試樣，電解液采用體積分?jǐn)?shù)為９％的 高 氯 酸 酒 精 溶 液，在ＦＥＩＴｅｃｎａｉ?。牵玻疲玻靶碗婄R上進(jìn)行觀察。
２結(jié)果與討論
２．１軋態(tài)顯微組織和力學(xué)性能
圖１為軋制后不同冷卻條件下鋼板的顯微組織。
軋后空冷的１＃鋼板顯微組織由粗大的粒狀貝氏體構(gòu)成，粗大的Ｍ／Ａ島呈不規(guī)則塊狀分布在鐵素體基體上，見圖１ａ、ｂ。Ｍ／Ａ島是在冷卻相變的過程中形成的，碳原子由鐵素體向未轉(zhuǎn)變的奧氏體擴(kuò)散，奧氏體由于碳含量增加其穩(wěn)定性提高，保留至室溫或轉(zhuǎn)變成其他產(chǎn)物而形成Ｍ／Ａ島?？绽溥^程中冷速慢轉(zhuǎn)變時(shí)間長，碳元素的擴(kuò)散程度更大，因此１＃
鋼板的Ｍ／Ａ島含量多，尺寸較大，并多呈不規(guī)則的塊狀。
終冷溫度在５２０～５３０ ℃時(shí)，鋼板的顯微組織為粒狀貝氏體，見圖１ｃ、ｅ。在貝氏體組織中能明顯辨認(rèn)出原奧氏體晶界，由于兩階段控制軋制的作用，原奧氏體晶粒壓扁拉長，增加了有效晶界面積細(xì)化了基體組織。２＃鋼板的Ｍ／Ａ島呈不規(guī)則粒狀或塊狀分布在鐵素體基體和原奧氏體邊界，部分Ｍ／Ａ島呈長條狀，與原奧氏體邊界呈約３０°～ ４５°角，見圖１ｃ。３＃鋼板的貝氏體組織板條特征更為明顯，在貝氏體鐵素體的板條間分布著細(xì)條狀Ｍ／Ａ島，而且呈粒狀組織的局部區(qū)域其粒狀Ｍ／Ａ島較２＃鋼也更為細(xì)小，見圖１ｅ、ｆ。終冷溫度為２１０℃時(shí)，可以得到板條馬氏體組織，見圖１ｇ、ｈ，因此４＃
鋼板在實(shí)驗(yàn)冷卻條件下達(dá)到了直接淬火的目的。
圖２為４＃鋼板直接淬火態(tài)的ＴＥＭ組織。由圖２可知，馬氏體板條寬度大部分在０．１ ～０．５μｍ，板條馬氏體含有較高密度的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)分布不均勻，形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。位錯(cuò)密度越高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)越困難，金屬抵抗塑性變形的能力就越大，強(qiáng)化效果就越明顯。圖２ｂ、ｃ中可觀察到較多的析出物質(zhì)點(diǎn)，這是由于低碳鋼的Ｍｓ點(diǎn)較高，在淬火過程中常發(fā)生碳化物（通常為滲碳體）自回火沉淀析出現(xiàn)象，并呈片狀，其長度為幾十納米、寬度為幾納米，能夠有效釘扎位錯(cuò)，起到析出強(qiáng)化作用［３］。
雖然低碳馬氏體的Ｍｓ和Ｍｆ點(diǎn)均較高，但板條間薄膜狀的殘余奧氏體在低碳馬氏體結(jié)構(gòu)中是普遍存在的，即使其含量非常少，這些奧氏體薄膜的存在對低碳馬氏體的韌性非常有利［４］。圖２ｄ、ｅ、ｆ為４＃鋼板組織中殘余奧氏體薄膜形態(tài)和電子衍射花樣?？梢婑R氏體
晶帶與奧氏體的
滿足Ｋ－Ｓ關(guān)系，其在低溫下具有很高穩(wěn)定性。板條間殘余奧氏體薄膜的厚度可達(dá)２０ｎｍ，并富含碳，碳含量為原奧氏體碳含量的數(shù)倍。殘余奧氏體在變形過程中可緩解應(yīng)力集中，減緩裂紋的擴(kuò)展，提高材料的沖擊韌性。
鋼板在不同冷卻條件下的力學(xué)性能如表２所示。１＃和２＃鋼板的屈服強(qiáng)度最低，并且有較低的屈強(qiáng)比。因?yàn)槠滹@微組織為粗大的粒狀Ｍ／Ａ島并分布于鐵素體基體上，可認(rèn)為這是由軟硬相構(gòu)成的雙相組織，變形過程首先在鐵素體基體發(fā)生，然后再轉(zhuǎn)移到Ｍ／Ａ島，因此呈現(xiàn)出較低的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。由于粗大Ｍ／Ａ島的存在破壞了鐵素體基體的連續(xù)性，并且這種長條狀和大塊狀的Ｍ／Ａ島本身不具備大的塑性變形能力，容易誘發(fā)裂紋并在裂紋長大的后期斷開，造成解理斷裂從而使鋼板韌性不佳［５］，因此低溫沖擊功只有１５～１７Ｊ。
對于３＃鋼板，冷卻速率較大，貝氏體基體及Ｍ／Ａ島均得到細(xì)化，細(xì)化的Ｍ／Ａ島對鋼板韌性有所改善［６］，沖擊功達(dá)３７Ｊ，并且由于貝氏體呈現(xiàn)出明顯的板條特征，所以鋼板屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比也明顯提高。４＃鋼板組織全部為板條馬氏體，具有最高的強(qiáng)度，并具有一定的塑韌性配合，表明超快冷條件下直接淬火鋼板具有良好的力學(xué)性能。馬氏體細(xì)小的板條寬度、高密度位錯(cuò)、固溶碳及細(xì)小碳化物析出等特征決定了其具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)由于組織細(xì)密、固溶碳元素較少、及殘余奧氏體薄膜的存在提高了板條馬氏體的韌性。
２．２ ＤＱ－Ｔ與ＲＱ－Ｔ工藝下鋼板力學(xué)性能對比
直接淬火回火工藝（ＤＱ－Ｔ）與再加熱淬火回火工藝（ＲＱ－Ｔ）比較，省去了再加熱工序，減少了能耗，提高了生產(chǎn)效率。兩種工藝條件下鋼板的力學(xué)性能也不同，見表３。
ＤＱ－Ｔ工藝采用４＃鋼板在６００ ℃回火１ｈ的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，ＲＱ－Ｔ工藝采用１＃鋼板在９３０ ℃再加熱淬火、６００ ℃回火４０ｍｉｎ的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
從表３可看出，ＤＱ－Ｔ工藝下鋼板的綜合力學(xué)性能優(yōu)于ＲＱ－Ｔ工藝下鋼板的力學(xué)性能。ＤＱ－Ｔ工藝下鋼板的塑韌性比ＲＱ－Ｔ下的稍高，但屈服強(qiáng)度提高了１２５ ＭＰａ
，抗拉強(qiáng) 度提 高 了１８３ＭＰａ，相當(dāng)于將該品種鋼提高了一個(gè)強(qiáng)度等級且沒有塑韌性的損失。由此可以看出，ＤＱ－Ｔ工藝在降低能耗、節(jié)約成本、提高性能上的優(yōu)越性。
經(jīng)過兩階段控制軋制，奧氏體晶粒已經(jīng)充分細(xì)化并處于加工硬化狀態(tài)，壓扁的奧氏體晶粒減小了有效晶粒尺寸，有利于細(xì)化馬氏體板條和板條束的長度和寬度。硬化的奧氏體中存在較高密度位錯(cuò)，在超快冷的馬氏體相變過程中，原奧氏體中的位錯(cuò)得到保留，進(jìn)一步增加了板條馬氏體的位錯(cuò)密度［７］。此外，直接淬火工藝有利于使更多的微合金元素處于固溶狀態(tài)，不但增加了奧氏體的淬透性，而且在回火過程中能夠通過增加納米級碳化物的析出數(shù)量而提高強(qiáng)化效果。這些因素都有利于提高直接淬火鋼的強(qiáng)度。
通過上述分析，對于低碳低合金調(diào)質(zhì)鋼，采用超快冷條件下的直接淬火工藝能夠提高鋼板的綜合力學(xué)性能，可以通過較低等級鋼種的合金成分設(shè)計(jì)達(dá)到較高等級的性能要求，實(shí)現(xiàn)合金減量化生產(chǎn)。并且省略了再加熱淬火工序，降低了能源消耗，提高了生產(chǎn)效率。因此，超快冷條件下在線熱處理技術(shù)或直接淬火技術(shù)在發(fā)展低成本、減量化、高附加值鋼種方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，是先進(jìn)高強(qiáng)鋼的重要發(fā)展方向之一。
３結(jié)論
（１）實(shí)驗(yàn)鋼在軋后空冷條件下以及以較慢的冷速冷至５２０℃時(shí)，得到粒狀貝氏體組織。而提高冷速至５１ ℃／ｓ時(shí)，可促使貝氏體獲得更多的板條特征，鐵素體基體和Ｍ／Ａ島都得到細(xì)化，因此強(qiáng)度和韌性都得到提高。
（２）實(shí)驗(yàn)鋼以５６℃／ｓ冷卻至２１０℃以下時(shí)，可全部得到板條馬氏體組織，在直接淬火過程中有碳化物自回火沉淀析出的現(xiàn)象。并且板條間存在殘余奧氏體薄膜，有利于提高馬氏體的韌性。
（３）直接淬火回火工藝與離線調(diào)質(zhì)工藝相比，鋼板能夠獲得更好的綜合力學(xué)性能，并且省略了再加熱淬火工序，降低了能源消耗，提高了生產(chǎn)效率。因此，超快冷條件下在線熱處理技術(shù)或直接淬火技術(shù)在發(fā)展低成本、減量化、高附加值鋼種方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。
參考文獻(xiàn)：
［１］ 張曉剛．近年來低合金高強(qiáng)度鋼的進(jìn)展［Ｊ］．鋼鐵，２０１１，４６（１１）：１－９．
［２］ 王國棟．中國中厚板軋制技術(shù)與裝備［Ｍ］．北京：冶金工業(yè)出版社，２００９．３４７．
［３］ 俞德剛．鐵基馬氏體時(shí)效－回火轉(zhuǎn)變理論及其強(qiáng)韌性［Ｍ］．上海：上海交通大學(xué)出版社，２００８．２０１－２０２．
［４］ 齊靖遠(yuǎn)，黎永鈞，周惠久．淬火態(tài)低碳板條馬氏體中的殘余奧氏體、孿晶亞結(jié)構(gòu)與自回火碳化物［Ｊ］．材料熱處理學(xué)報(bào)，１９８４，５（１）：４２－５１．
［５］ 趙琳，張旭東，陳武柱．８００ＭＰａ級低合金鋼焊接熱影響區(qū)韌性的研究［Ｊ］
．金屬學(xué)報(bào)，２００５，４１（４）：３９２－３９６．
［６］ 柴鋒，楊才福，張永權(quán)，等．粒狀貝氏體對超低碳含銅時(shí)效鋼粗晶熱影響區(qū)沖擊韌性的影響［Ｊ］．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，２００５，１７（１）：４２－４６．
［７］ 小指軍夫．控制軋制 控制冷卻———改善材質(zhì)的軋制技術(shù)發(fā)展［Ｍ］．北京：冶金工業(yè)出版社，２００２．１２５．