回火温度对Q960级高强结构钢组织及力学性能的影响随着中国工程

回火温度对Q960级高强结构钢组织及力学性能的影响随着中国工程机械行业向“三高一大”方向发展，对作为整机基础的钢结构件提出了进一步的要求，不断向高强度、高附加值的优良综合性能发展。其中屈服强度960Mpa级别的高强钢需求趋势明显，是目前各中厚板厂家大力投入研发的品种之一。国外一些先进钢企已经能在此级别上稳定供货，且性能优良，而国内却寥寥无几，因此开发出性能良好的该品种钢具有广泛而实际的意义。调质热处理工艺是生产高强度结构钢的主要方式，可以满足钢板性能稳定并均匀的要求。本研究通过适当的合金成分优化设计，以多元少量的复合强化为原则，重点讨论分析了淬火后钢板的不同回火温度对显微组织及力学性能的影响机制，最终得到了最佳的调质热处理工艺参数。1试验材料及方法试验用钢在国内某钢厂150kg真空感应熔炼炉中冶炼，具体化学组成及质量分数见表1所示。钢锭经锻造、机加工成100mm(厚)×100mm(宽)×120mm(长)的待轧方坯料。表1用钢的化学成分（质量分数）CSiMnSPNb+V+TiCrMoCuNiB0.170.231.230.0030.0050.080.520.310.230.260.0015将坯料在高温电阻炉中加热至1200℃，保温0.5~1h利用实验室450mm2可逆式热轧机进行两阶段的控制轧制。奥氏体再结晶区轧制在1000~1150℃内完成，每道次压下率不低于20%；奥氏体未再结晶区开轧温度为900℃，经6道次轧制到12mm的目标厚度，累积压下率不低于50%，终轧温度控制在830~860℃。轧后利用层流冷却设备以25~30℃/s的冷速将热轧板冷至约600℃，然后空冷到室温。淬火制度为900℃保温20min后水淬至室温。回火温度研究范围为150℃至700℃，每间隔50℃设置一考察温度点，保温时间统一为40min。拉伸力学性能测试在100t电液伺服万能试验机上进行，采用6mm圆形横截面标准拉伸样，试样沿垂直于轧制方向截取，力学性能取3个试样的平均值。夏比冲击试验在－40℃条件下进行，试样采用V型缺口，尺寸为10mm×10mm×55mm。显微组织研究利用Quanta600扫描电子显微镜以及TecnaiG220透射电子显微镜完成。2试验结果与分析试验钢淬火后，经不同温度进行回火处理，其力学性能与回火温度变化的关系如图1所示。图1回火温度对力学性能的影响试验钢淬火态具有极高的强度值，屈服强度可达到1200Mpa，随回火温度的升高，强度下降，而韧塑性总体上呈现升高趋势，其中在300~450℃范围内出现一个韧塑性能的恶化区。当回火温度为600℃时，试验钢具有最佳的强韧性能匹配，屈服强度1030Mpa，抗拉强度1080Mpa，伸长率15.9%，－40℃冲击功达144J，良好的综合力学性能满足国标GB/T16270-2009要求。图2不同回火温度下试验钢的显微结构试验钢经不同回火温度处理后，显微组织利用扫描电镜（SEM）与透射电镜（TEM）进行研究，结构特征如图2所示。当采用250℃的低温区回火处理时，试验钢基本保持了淬火态的板条束结构，见图2(a)与图2(d)。马氏体板条接近平行状分布，边界比较清晰，板条宽度主要在0.2~0.4μm范围内。该温度回火过程中除淬火内应力逐渐消失外，部分固溶碳原子以过渡碳化物形式直接析出，主要位于位错团及板条边界上，这些析出的碳化物起到了钉扎位错的作用，对基体产生一定强化，因此在250℃左右的低温区回火后，可以保持极高的强度。提高回火温度至400℃，显微结构特征见图2(b)与图2(e)。此时渗碳体颗粒发生粗化和球化，钉扎作用减弱，大量的位错由于具有足够的热激活能而发生迁移、相互作用甚至抵消，因此位错密度显著降低，一些相邻板条的部分边界变得模糊或消失，容易发生合并使板条变宽，基体的回复明显。同时伴随着残余奥氏体的分解，在板条间产生薄壳状碳化物，见图3所示。这些碳化物薄壳的形成是导致试验钢韧塑性能恶化的主要因素。图3在400℃回火条件下板条间的碳化物特征当回火温度为600℃时，试验钢的强度与韧塑性能达到最佳的匹配，图2(c)与图2(f)为回火索氏体显微结构特征。残留在马氏体块中的板条，边界几乎消失，呈粗短状。韧塑性的显著提高是因为铁素体基体的回复、淬火应力的消除、位错密度降低以及渗碳体的球化等作用。在高温回火过程中，板条内的位错组态也有明显变化，由于更多的热激活能，位错胞状亚结构发生改变，由紊乱缠绕（在600℃回火，见图4（a））逐渐有序化，近似呈网络状排列（在700℃回火，见图4（b）），这种组态使位错具有最低的能量和良好的稳定性。图4高温回火过程中位错组态的变化试验钢淬火态以及高温回火处理后的拉伸应力－应变曲线如图5所示。淬火态板条马氏体具有高密度的位错亚结构，但位错分布不均匀。在拉伸变形时，高密度区缠结的位错难以开动，而低密度区的位错可移动性强，只要应力足够时就能迁移，塑性变形将首先从这里开始而逐渐发展到其余部位，因此在淬火态应力－应变曲线上没有明显屈服点而圆滑地过渡到塑性区。经500℃和600℃回火后，原来的高密度位错经过规整密度有所降低，但组态更加稳定，尤其是可动位错发生抵消或与其他位错缠结而数量大幅降低，同时微合金碳氮化物的析出有效钉扎了位错抑制其运动，这样就需要更高的应力驱动位错解除钉扎，出现了上屈服点，在拉伸变形时避免了连续屈服现象的发生。图5试验钢的应力－应变曲线试验钢在均匀塑性变形阶段，真应力－真应变满足Hollomon关系：s=ken(1)s=σ（1+ε）(2)e=1n+（1+ε）(3)式(1)中：s为真应力；e为真应变；k为硬化系数；n为应变硬化指数；其中s可通过式（2）计算，e通过式（3）计算；σ与ε分别为工程应力与应变。对式（1）取对数，将式（2）、（3）代入后，进行线性回归，结果如图6所示。图6试验钢应变硬化指数的线性回归图试验钢经较高温度回火处理后，韧塑性能得到改善，但应变硬化指数与淬火态相比较低。在500~600℃回火过程中，可动位错密度显著降低，同时生成的大量析出相起到了钉扎位错的作用，最终造成应变硬化指数n降低。3结论1）随回火温度的升高，试验钢强度下降，而韧塑性总体上呈现升高趋势。当回火温度为600℃时，试验钢呈回火索氏体组织，屈服强度为1030Mpa，抗拉强度为1080Mpa，伸长率为15.9%，－40℃冲击功达144J。2）试验钢热处理温度在300~450℃范围内为回火脆性区，韧塑性能出现最低值。该回火温度区，在板条间形成的碳化物薄壳是导致试验钢韧塑性能恶化的主要因素。3）试验钢经500~600℃回火后，拉伸应力应变曲线出现明显的屈服点，应变硬化指数与淬火态相比有所降低。