通过加工热处理实现低合金钢强韧化技术(二)

通过加工热处理实现低合金钢强韧化技术（二）强化节能以减排CO2，抑制地球变暖已成为全球共识，为确保2020年单位GDPCO2排放量比2005年降低40%-45%的承诺，我国在“十二五”规划中提出，CO2排放指标将和节能指标共同作为约束性指标进行考核。钢铁行业作为高耗能工业，面对这一形势，除了从生产工艺上改进以节能减排CO2外，还应多生产高强度钢材，为汽车、船舶等交通运输工具和房屋、桥梁等钢结构制造节材、节能，为减排CO2做出贡献的同时，这亦是钢铁行业转变增长方式由大变强的一条重要途径。2.2马氏体组织含碳0.6%左右的钢淬火出现的板状马氏体经回火后即具有优良的强度和延性、韧性平衡。板状马氏体组织一个晶粒的厚度，仅0.2μm左右，成为非常薄的板状。淬火状态马氏体晶粒的内部存在1015/m2的高密度位错，其位错密度基本和强加工后的金属相当。中碳低合金钢的板状马氏体组织内部存在高密度位错，经回火后，碳化物微细分散后的回火马氏体组织则可视为“超微细复相组织”的一种。作为使马氏体组织提高韧性的组织控制法，高温回火、奥氏体晶粒细化和热形变等方面已众所周知，并经常组合应用。对要求高韧性的机械结构用钢的马氏体组织，应在550℃以上、A1点以下高温回火。回火温度愈高，优势越明显。原因在于：1）淬火产生的内部应力经位错回复而降低；2）碳化物可被分散为球状。热形变和奥氏体晶粒细化成为可使马氏体钢强韧化的有效组织控制法。例如，由快速加热淬火使奥氏体粒径微细化至2.5μm的回火马氏体钢（HY130：0.1C-5Ni-0.6Cr-0.5Mo-0.06V-0.7Mn钢），在抗拉强度1400MPa下，屈服强度比一般淬火、回火钢增加，DBTT却下降。在室温下，对各种钢材的屈服强度和V缺口夏比冲击吸收能的关系进行对比试验的结果可知，低合金马氏体钢（0.34C-2Si-1Cr-3Ni）在屈服强度1000MPa附近仍有较好的韧性（吸收能为100J左右）。但屈服强度增大到1400MPa时，则吸收能降低到40J以下与之相比较，以马氏体时效钢为代表的高合金钢（碳以外的合金含量10%），则在纳米级粒子分散强化的基础上，加上含S、P、夹杂物低、含碳低及含Ni高等因素，在屈服强度和延性、韧性的平衡上优于低合金钢。即在屈服强度1500MPa时，冲击吸收能仍高达150J以上，但到1800MPa和2500MPa时分别降到40J和20J以下。3层状剥离现象层状剥离现象指轧制钢板、超微细晶粒钢、复合钢板和热形变钢等组织异性强的材料在夏比冲击试验的破断面经常发生的现象。由于在主裂发生或传播以前，在和板面平行的面上产生层状剥离现象时，将使主裂尖端的3轴应力得以缓和（即开裂钝化），从而抑制了主裂的传播，其结果使韧性改善。层状剥离现象分为A、B两种破坏方式：A为Crack-divider（指开裂分解），B指Crack-arrester（指开裂抑制）。以复合钢板为例说明如下，由于它在接合面的结合力较弱，A式的场合在荷重下，在V缺口或主裂尖端的3轴应力的作用下，使接合面剥离而产生开裂。产生A式的层状剥离现象时，实际上和薄板的重合作用相同，即层状剥离现象的频度愈增加，愈使主裂尖端的应力状态由3轴应力状态向2轴的平面应力状态缓和，致使主裂的传播得到抑制。在轧制钢板和超微细粒钢亦观察到此种A式的层状剥离现象。此现象发生的温度区和夏比吸收能转变温度区大体一致，而在转变温度以上或以下时则发生频度减少。但层状剥离现象的发生频度愈高时，则100%延性破坏温度区的延性开裂阻抗降低，即吸收能减少（延性破坏性能劣化）。在B式的场合，层状剥离现象沿与主裂方向（Z轴方向）的垂直面而发生，致开裂基本被钝化而主裂尖端的应力状态由3轴缓和为单轴的抗拉状态，即实际上成为单纯的弯曲变形，致使韧性大幅改善。据有关研究报道，对0.2C-3Ni-3Mo钢形变热处理时，在200℃附近B式层状剥离现象沿伸长的奥氏体晶界发生，夏比冲击吸收能达到异常高的325J。但在室温附近时则无层状剥离现象发生，吸收能降至33J，此时的屈服强度为1600MPa。无韧脆性转变的奥氏体系不锈钢（室温屈服强度为215MPa），则温度愈低时的B式层状剥离现象愈显著，相应的夏比冲击吸收能亦加大。由于此试样取自透平发动机的劣化部件，其奥氏体已充分再结晶，致起因于偏析带粗大化后碳化物的层状剥离现象较易发生所致。还有，0.12C-0.4Si-1.8Mn-0.03Nb棒材的控制轧制和板材的控制轧制形成不同的织构，经夏比冲击试验（-196℃下）仍未破断分离，B式层状剥离现象多数沿轧制平行面发生。如上所述的DBTT显著降低是由于和轧制方向垂直断面铁素体晶粒的微细化以及所形成的织构防止了裂纹的发生和传播，以及由层状剥离现象所实现的平面应力状态的结果。4层状剥离现象在超微细纤维状晶粒组织的应用4.1马氏体形变回火处理的超微细纤维状晶粒组织的创新概念根据1963年由田村君整理的热处理法分类，对淬火回火马氏体组织的加工和琴钢丝的热处理加工归于同类。当时的淬火回火马氏体组织加工是在200℃左右回火后加工，并再度进行回火的。对淬火回火马氏体组织实施减面率80%的冷轧后，再经短时奥氏体化处理后，奥氏体的粒径成功地微细化至1μm水平。最近其作为取得超微细晶粒组织的有效手段，淬火回火马氏体组织的加工受到各方重视。据悉，通过较高温度区的多轴加工和加工后的退火可形成等轴状的超微细晶粒。最近对取得超微细纤维状晶粒的手段，即中碳低合金钢淬火回火马氏体的温加工开始得到人们的关注。另外，还考虑通过加工热处理形成组织的同时并成形为螺栓等部件，对此称为形变回火处理。过去高强螺栓等高强度部件的生产必须在成形前对材料进行球化退火，而形变回火处理则可从工艺上省去软质化处理；但热形变加工在奥氏体相的加工还有以下问题：1）由于使奥氏体相稳定化必须加入较多的合金元素；2）对复杂形状的部件难以适用。对此，提出马氏体形变回收处理加工，致可适用于较广范围的低合金钢，特别是中碳低合金钢的中温形变热处理的场合，可利用基体中微细分散碳化物粒子的钉扎作用，使基体组织晶粒超微细化的同时，还可控制超微细晶粒的织构和形状。且在基体中存在纳米级超微细分散的碳化物粒子，由于位错钉扎而有利于超微细纤维状晶粒组织的高强度化和均匀延伸率的提高。4.2利用形变回火处理制成的超微细纤维状晶粒组织的力学性能本研究选用高纯度的0.4C-2Si-1Cr-1Mo钢，为二次硬化钢的一种。设计时通过Si、Cr和引起二次硬化用Mo的复合加入，使得在500℃回火，碳化物粒子仍能发生超微细分散，从而得到1800MPa抗拉强度。利用形变回火处理的概况如下：1）从热轧材中切取4cm×4cm、长12cm的方钢，在1200℃下经1h固溶处理后再轧制成断面9cm2的方钢，经水淬火后得到马氏体组织，其原奥氏体的平均粒径为50μm；2）将淬火材于500℃下回火1h后，再经轧机按3×3道次加工（累计减面率77%，相当于变形为1.7）成为断面积2cm2、长1m的方钢后空冷至室温，成为热变形（TF）材。还有在轧制中每3道次经500℃的5min再加热，最终道次为保持形状用同一孔型旋转90°再轧一道次。TF材在沿轧制方向（RD）伸长的铁素体晶粒基体中，50nm以下碳化物粒子形成球状的超微细纤维状组织。将TF材的室温抗拉变形性能和V缺口夏比冲击吸收能等指标，与正火材于950℃、30min奥氏体化后油淬火、经500℃、1h回火后水冷的QT材性能对比。在1800MPa级的抗拉强度下，TF材比QT材的屈服比较高，强度、延性平衡亦优，两者的冲击吸收能差距更大；对此，进一步开展了对比试验。QT材在60-100℃区即反映出典型的韧脆性转变，随试验温度的降低吸收能而降低，且到20℃以下时即开裂。而TF材在150℃时其吸收能是QT材的6倍，约为133J，然而以往的超高强度钢表现出在韧脆性转变的60℃到-60℃区间内的吸收能反而增大，所以被公认为是“韧性的逆温度依存性”。TF材韧性的显著提高与冲击方向基本成直角的开裂分歧有关。原因在于B式层状剥离现象所产生的结果，即层状剥离现象愈显著则吸收能愈大，导致在-20-60℃的温度区，吸收能上升至500J时，试样尚未完全断为两截。此类“韧性的逆温度依存性”，在热形变钢和奥氏体系不锈钢中已为人们所确认，但在1800MPa级超高强度且属低合金钢的低温区发现仍具有重大的意义。5结语屈服强度超过1400MPa低合金钢的高韧性化是钢铁材料研究中亟待解决的重要课题之一。但由于此类高强度材料仅靠冷锻、淬火、回火等老工艺难以保证复杂形状部件的性能。因而应从老工艺中解脱出来探索新思路，这样加工热处理即为一条有效途径。在1800MPa级超高强螺栓项目中，时实君等开发成功的可实现奥氏体晶粒细化的加工热处理的最佳化甚为有效，主要通过低温加工以达到奥氏体晶粒超微细化极限的螺栓用二次硬化钢。为了今后将这一技术推广到各种超高强度的材料和部件应用，还需要各方配合大力开发。