淬火溫度對超高強鋼Q890D組織性能的影響

時間：2013-09-04 10:07:44 來源：作者：

王煒1 管亞飛2 秦亞2 曲錦波1

（1.沙鋼研究院；2.沙鋼鋼板總廠，江蘇張家港 215625）

摘要本文以屈服強度890MPa級的超高強度調質鋼板Q890D為對象，研究了淬火溫度對實驗鋼顯微組織及力學性能的影響。試驗結果表明：再加熱淬火溫度決定了合金元素的溶解和分布狀態、原始奧氏體晶粒尺寸，最終影響實驗鋼的綜合力學性能。當淬火溫度為900℃、回火溫度為580℃時，該實驗鋼具有良好的性能，即屈服強度Rp0.2=925MPa、抗拉強度Rm=960MPa、-20℃沖擊功Akv=115J，各項指標均滿足技術要求。

關鍵詞高強鋼，Q890D，淬火溫度，組織性能，原始奧氏體晶粒

引言

隨著重型機械的大型化和自重輕量化，市場對低合金高強鋼的用量需求越來越大，強度級別也不斷提高，屈服強度級別從460MPa提高到890MPa，甚至1100MPa以上[1]。高強度鋼板具有有效減輕機械自重，提高工程機械使用能力等優點，因而，目前許多研發工作都以高強鋼為主要研究對象。

目前，對于強度級別較高、性能穩定性和均勻性要求較高的中厚板而言，傳統的調質熱處理（淬火+高溫回火）生產工藝仍然是不可代替的，而淬火工藝的選擇對產品的組織性能是極為關鍵和重要的。淬火是使鋼強化和獲得理想使用性能的主要方法之一[2]，而淬火加熱溫度影響著奧氏體晶粒尺寸和合金元素在鋼中的溶解與分布狀態，由此改變鋼的淬透性和相變后的馬氏體板條束尺寸，進而影響鋼的力學性能。

本文以高強鋼Q890D為研究對象，研究淬火溫度對其顯微組織與力學性能的影響，揭示淬火溫度和Q890D組織與力學性能之間的關系，并為Q890D的工業應用提供理論依據。

1 試驗材料與方法

參考標準規定的范圍，并結合沙鋼Q690D的成分設計思路，制定了Q890D的化學成分。試驗用鋼在沙鋼研究院試驗工廠的150kg真空感應熔煉爐中冶煉，具體化學成分見表1。

表1 實驗鋼的化學成分（wt.%）

C	Si	Mn	B	Cr+Ni+Mo+Cu	Nb+Ti+V	Ceq
0.16	0.30	1.33	0.0015	≤1.3	≤0.05	≤0.55

冶煉后的鋼錠在箱式電阻爐中加熱至1200℃，保溫1.5~2小時，利用f750mm兩輥可逆式試驗軋機進行軋制試驗。鋼錠在1000~1150℃內進行奧氏體再結晶區軋制，奧氏體未再結晶區軋制的開軋溫度為900℃，經過7道次軋制成目標厚度20mm的鋼板，累積壓下量超過50%，終軋溫度為860℃，之后空冷至室溫。對熱軋態鋼板進行調質熱處理試驗，淬火溫度為840、870、900、930、960和990℃，保溫時間均為1h，淬火后所有樣品均進行580℃回火處理。

對熱處理后試樣進行顯微組織分析和力學性能測試，采用4%硝酸酒精進行常規金相檢驗，并用飽和苦味酸溫水浴侵蝕出原奧氏體晶粒，利用光學顯微鏡（Zeiss Axio Imager A1m）進行組織分析。常規拉伸試驗在250KN電子萬能材料試驗機（Instron 5585H）上進行，采用f10mm的標準圓棒拉伸試樣。沖擊試驗在擺錘沖擊試驗機（Instron IMP450J）上進行，試驗溫度為-20℃。利用場發射掃描電子顯微鏡（Quanta 3D FEG）對沖擊斷口進行形貌觀察。

2試驗結果

2.1 顯微組織

圖1為實驗鋼的熱軋態組織，主要是由鐵素體、粒狀貝氏體和M-A島組成。

圖1 實驗鋼的熱軋態組織

圖2為實驗鋼經不同溫度淬火后的顯微組織，可以看出，840℃淬火后的組織主要由馬氏體、少量鐵素體和M-A島狀組成，這是由于在相對較低的溫度下淬火，實驗鋼沒有完全奧氏體化，使部分軋態組織得以保留；淬火溫度為900℃時，實驗鋼完全奧氏體化，淬火后組織全部由馬氏體組成，且板條細小；當淬火溫度為990℃時，雖然同樣是完全奧氏體化狀態，但由于加熱溫度過高，導致了淬火后馬氏體板條束較900℃淬火時粗大。

圖2 不同溫度淬火后的顯微組織

圖3為不同淬火溫度處理之后原奧氏體組織.。由圖可知，隨著淬火溫度的升高，實驗鋼板奧氏體晶粒尺寸增加。840℃-900℃溫度區間淬火后，原奧氏體晶粒在8-10mm左右；而高于900℃淬火，原奧氏體晶粒尺寸明顯增大，其大小在15-30mm左右。

2.2 力學性能

經過不同溫度淬火+580℃回火后，實驗鋼的力學性能如圖4所示。可以看出，隨著淬火溫度的提高，鋼板的強度和硬度都增加，當淬火溫度在840~870℃時，強度變化尤為明顯，當淬火溫度超過870℃后，強度增加幅度較小，趨于平緩，當淬火溫度高于900℃時，屈服強度均在925MPa左右。

從圖4可以看出，隨著淬火溫度的升高，實驗鋼沖擊功呈下降趨勢。當淬火溫度達到930℃時，沖擊功大幅下降，其值低于100J。圖5為實驗鋼低溫沖擊斷口形貌，當淬火溫度低于900℃時，實驗鋼的斷口形貌均表現出韌性斷裂，當淬火溫度超過930℃時，開始出現部分解理斷裂。隨著淬火溫度的進一步升高，解理面明顯增加，而韌窩數量顯著減少。當淬火溫度達到990℃時，試樣幾乎為完全解理斷裂，斷口表面只有極少數的韌窩出現，且韌窩小而淺。

綜上所述，淬火溫度偏低能提高鋼板的低溫沖擊韌性，但可能導致鋼板拉伸強度偏小；若淬火溫度偏高能一定程度地提高鋼板強度，卻不利于低溫沖擊韌性。考慮到鋼板的綜合性能，本實驗鋼的淬火溫度應在900~930℃比較適宜。

3 分析與討論

淬火溫度的選擇直接影響到調質鋼板的性能，因此選擇和控制好淬火溫度非常重要。調質鋼板綜合性能受淬火溫度影響的主要因素包括：奧氏體化程度、晶粒尺寸和合金元素溶解分布狀態[3]。淬火溫度偏低將導致奧氏體化不完全或者合金元素溶解不充分、分布不均勻，而淬火溫度過高則會引起晶粒尺寸偏大。

在化學元素組成與保溫時間一定的條件下，原奧氏體晶粒大小與加熱溫度之間存在函數關系[4]：

上式中Dt0為t0時刻對應的初始晶粒直徑(mm)；Dt為t時刻對應的晶粒直徑(mm)；m為取決于Dt/Dt0的指數；k=k0exp(-Q/RT)，其中晶界遷移激活能Q和原始奧氏體初始晶粒直徑Dt0僅取決于實驗鋼的化學成分和原始組織狀態。由此可知，隨著淬火溫度的升高，晶粒尺寸增大，晶粒的粗化是導致實驗鋼沖擊性能惡化主要的因素。根據霍爾-佩奇公式[5]：

上式中s0為常數，反映晶內對變形的阻力，大體相當于單晶體金屬的屈服強度；K為常數，表征晶界對強度影響的程度，與晶界結構有關；d為多晶體中各晶粒的平均直徑。從公式可以看出，材料的屈服強度與晶粒直徑平方根的倒數呈線性關系。單從晶粒尺寸的角度分析，實驗鋼強度應隨著淬火溫度的升高而下降，但結果是實驗鋼在900~990℃之間淬火時強度變化不明顯。究其原因主要是影響實驗鋼強度的因素不單只有晶粒尺寸，同時還包括合金元素的固溶以及第二相的析出等。

采用Thermo-Calc軟件計算各淬火溫度下鋼的相組成，計算結果表明，在840~990℃溫度區間內淬火鋼的相組成基本一致，主要是由FCC結構的奧氏體和碳化物組成。碳化物含量隨著淬火溫度的升高逐漸減少，且碳化物中的合金含量也隨之變化。Mo隨著淬火溫度的升高，其在碳化物中的質量百分比增加，但幅度很小，而Cr的變化趨勢正好與Mo相反，如圖6所示。經計算得出，合金元素Mo隨著淬火溫度升高，固溶于奧氏體中的含量基本維持不變，而合金元素Cr隨著淬火溫度的提高，固溶于奧氏體中的含量逐漸增加。隨著淬火溫度的提高，溶解于基體中的碳化物數量逐漸增加，導致淬火后組織中的碳及合金元素的飽和度增加，經高溫回火處理后析出的碳化物數量和彌散度增加，有利于提高鋼的強韌性。此外，由于溶入基體的碳化物（Mo，Cr等碳化物）對抑制晶粒生長有很強的作用，隨著淬火溫度的提高，Mo，Cr等碳化物的數量減少不利于抑制晶粒生長，導致了奧氏體晶粒逐漸粗大，因此，淬火后形成的馬氏體板條束尺寸變大，致使鋼的強韌性降低。由此可知，實驗鋼的固溶強化、析出強化與晶粒粗化導致強度弱化的交互作用，使得實驗鋼在900℃淬火后性能趨于一致。