|
采用兩相區淬火+回火(L+T)、淬火+兩相區淬火+回火(Q+L+T)和正火+回火(N+T)工藝，對實驗室試制的低屈強比高強度結構鋼進行系列熱處理試驗，并研究了3種熱處理工藝對試驗鋼組織和性能的影響。結果表明，兩相區淬火前，試驗鋼的初始組織及正火、淬火時冷卻速率的差異決定了最終的組織性能，采用L+T工藝，試驗鋼的強度和屈強比最高；采用Q+L+T工藝，試驗鋼的屈強比略有下降，但強度卻大幅下降；采用N+T工藝，試驗鋼的屈強比最低，強度與采用Q+L+T工藝相近。
隨著國家經濟建設的高速發展，對各類工程結構用鋼的需求量越來越大，同時對其質量性能的要求也越來越高，不僅要求具有較高的強度，而且還需要良好的低溫韌性、焊接性能、抗疲勞性能和抗斷裂特性等。一般來說，在采用各種強化機制提高結構鋼強度的同時，其屈強比將不可避免地上升，但對于某些具有特殊用途的工程結構，如橋梁、建筑、管線、海洋平臺等，出于安全考慮，對結構鋼的屈強比有嚴格要求。例如，歐洲和日本對建筑用鋼的要求中包括屈強比分別小于0.91和0.80，我國建筑結構用鋼標準GB/T19879—2005《建筑結構用鋼板》將屈強比限定在0.80～0.85，但強度最高僅規定到YS460MPa級別。因此，為適應建筑結構用鋼高強化的發展趨勢，開發具有低屈強比、高韌性、良好焊接性能的高強度鋼板具有重要的意義。
日本JFE采用Super-OLAC+HOP(超快冷+在線熱處理)技術已成功開發出TS780MPa級低屈強比建筑結構用鋼，但該工藝由于要求配備特殊的生產設備，因此尚未被其他企業所采用。目前，各單位在低屈強比高強鋼的試制開發中仍多采用淬火+兩相區淬火+回火(Q+L+T)、直接淬火+兩相區淬火+回火(DQ+L+T)、直接兩相區淬火+回火(DL+T)、緩慢冷卻型淬火+回火(緩慢冷卻型DQ+T)等工藝。本文針對TS>700MPa級低屈強比高強鋼，通過特殊的化學成分設計，采用L+T、Q+L+T、正火+回火(N+T)等工藝，研究了不同熱處理條件對試驗鋼組織和性能的影響，為該級別鋼板的開發提供了試驗依據。
1、試驗材料及方法
試驗用鋼在150kg真空感應熔煉爐中冶煉，澆鑄為150mm×150mm×420mm的鋼錠，具體化學成分如表1所示。該鋼采用低C、Mn的成分設計，配合適量Ni、Cr、Mo、Cu等的合金強化和Nb、Ti、V的微合金化，來獲得高強度低屈強比性能，并具有較低的焊接裂紋敏感性指數(Pcm=0.24)。
表1試驗鋼的化學成分(質量分數，%)
試驗鋼錠經切割后在750mm二輥可逆式試驗軋機上軋成30mm厚鋼板，具體工藝參數為:加熱溫度1200℃、保溫時間2h、開軋溫度1050℃、終軋溫度830℃，軋后通過水幕冷卻裝置快冷至110℃，冷速為15℃/s。
(a)760℃L+500℃T；(b)780℃L+500℃T；(c)800℃L+500℃T；(d)820℃L+500℃T
在軋制的鋼板上切取尺寸為130mm×35mm×30mm的熱處理試樣，在箱式電阻爐中對試樣進行L+T、Q+L+T和N+T處理，具體熱處理工藝參數如表2所示。
對熱處理試樣進行組織性能檢驗，拉伸試樣在厚度1/4處垂直于軋制方向取樣，標距為8mm×40mm，按照GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》在Instron5585型材料拉伸試驗機上進行拉伸試驗；沖擊試樣在厚度1/4處平行于軋制方向取樣，尺寸為10mm×10mm×55mm，加工成V型缺口，按照GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》在450J擺錘沖擊試機上進行-20℃沖擊試驗；顯微組織觀察在CarlZeissAxio金相顯微鏡上進行。
3、討論
研究發現，采用兩相區淬火工藝時，試驗鋼的初始組織對試驗鋼后續的淬火組織和性能具有重要影響。對于L+T工藝來說，由于未進行完全奧氏體化過程，因此軋態組織對試驗鋼后續的兩相區淬火組織產生了重要影響。在較低的兩相區溫度(760～780℃)淬火時，由于溫度低，軋態組織的變形帶仍清晰可見，僅在晶界處有1～2μm的奧氏體晶粒形成，這些奧氏體晶粒淬火后形成馬氏體，而軋態組織中的大量貝氏體組織由于未經過完全奧氏體化而得以保留；隨著兩相區淬火溫度升高，軋制過程中形成的變形帶消失，但貝氏體組織仍有保留，如800℃淬火后，樣品顯微組織中仍有大量平行排列的板條狀貝氏體鐵素體存在。由于原始軋態組織對L+T工藝的影響，使得該工藝處理后的試驗鋼具有高的強度，同時屈強比也較高。對于Q+L+T工藝來說，由于試驗鋼在進行兩相區淬火前已經進行了淬火處理，經過了完全奧氏體化的過程，軋態組織中的貝氏體組織在經過第一次淬火(910℃淬火)時，已經轉變為馬氏體，所以當再次加熱至兩相區進行第二次淬火時，原來貝氏體鐵素體組織的基體消失，取而代之的是塊狀的鐵素體組織，基體上彌散分布著M-A組元。與L+T工藝下的組織相比，塊狀的鐵素體基體的強度要遠低于平行排列的貝氏體鐵素體基體的強度，這就造成了Q+L+T工藝下試驗鋼的強度和屈強比出現下降，但同時韌性、塑性略有改善。正火與淬火相比，其冷卻速度明顯降低，這也是導致試驗鋼采用N+T工藝與采用另外兩種工藝處理后組織和性能存在較大差異的原因。對于N+T工藝來說，在較低的正火溫度(760～820℃)下，雖然試驗鋼也未經過完全奧氏體化過程，但與L+T工藝相比，正火冷卻速度要遠低于淬火的冷卻速度，原來軋態組織中貝氏體的強化作用經過760～820℃的正火處理已消失殆盡，因此與L+T工藝相比，試驗鋼的強度也明顯降低；當正火溫度為860℃時，試驗鋼發生完全奧氏體化，空冷時由于冷卻緩慢，導致奧氏體轉變為粒狀貝氏體組織，使得試驗鋼強度提高，同時韌性和塑性降低。當正火溫度為900℃時，奧氏體化溫度高，加之冷卻緩慢，試驗鋼中出現了大量的多邊形鐵素體，從而使試驗鋼的強度和屈強比出現大幅的降低，同時韌性和塑性出現明顯改善。綜上所述，由于試驗鋼在3種工藝處理時初始組織和冷卻速率等因素的不同造成了最終強度、韌性、塑性及屈強比的差異。
4、結論
1)由于兩相區淬火前的初始組織及正火、淬火時冷卻速率的差異，采用兩相區淬火+回火(L+T)工藝，試驗鋼的組織主要為顆粒狀馬氏體和板條狀平行排列的鐵素體；采用淬火+兩相區淬火+回火(Q+L+T)工藝，試驗鋼的組織主要為顆粒狀的馬氏體、多邊形的鐵素體以及其上分布的大量的M-A組元；采用正火+回火(N+T)工藝，試驗鋼中無大尺寸顆粒狀馬氏體形成，主要組織為粒狀貝氏體和鐵素體(板條狀鐵素體或多邊形鐵素體)。
2)采用兩相區淬火+回火(L+T)工藝時，隨著兩相區淬火溫度的變化，試驗鋼強度、伸長率和-20℃沖擊吸收能量變化并不十分明顯，僅在820℃時有較大變化；采用淬火+兩相區淬火+回火(Q+L+T)工藝時，試驗鋼強度和屈強比隨兩相區淬火溫度的升高均呈遞增趨勢，伸長率呈遞減趨勢，-20℃沖擊吸收能量除820℃有降低外，變化不明顯；采用正火+回火(N+T)工藝時，當正火溫度處于兩相區(760℃、820℃)時，試驗鋼具有良好的強度和韌塑性配合，且屈強比較低。
3)3種熱處理工藝中，采用L+T工藝，試驗鋼的強度最高，同時屈強比也較高；采用Q+L+T工藝，屈強比略有下降，但強度明顯下降；采用N+T工藝，試驗鋼的屈強比最低，強度與采用Q+L+T工藝相近。
熱處理展-工業爐展-2015第十六屆廣州國際熱處理、工業爐展覽會-中國效果最好的熱處理工業爐展--巨浪展覽—The 16th
China(Guangzhou)Int’l Heat Treatment, Industrial Furnace Exhibition
|
