低碳高强度贝氏体厚钢板的强韧化机制-8

700MPa级超低碳高强度贝氏体厚钢板的晶粒细化机制夏政海1，曹志强1，罗登1，张永东1，郭爱民2，吴开明2（1湖南华菱湘潭钢铁有限公司湘钢科技开发中心，湘潭，411101；2武汉科技大学“冶金工业过程系统科学”湖北省重点实验室，武汉，430081）摘要：利用超低碳微合金化的成分设计，采用控制轧制和控制冷却的工艺得到了细化的贝氏体组织。利用光学显微镜、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和透射电子显微镜（TEM）对各类微观组织和析出物进行了观察和分析。结果表明：700MPa级超低碳贝氏体厚钢板具有细小均匀的粒状贝氏体和少量针状铁素体与多边形铁素体的复合组织。其屈服强度不小于580MPa，抗拉强度不小于700MPa，-20℃冲击功Akv不小于150J。钢板具有强度高、韧性好和良好的焊接性能。强度和韧性的良好匹配主要是由于在粒状贝氏体相变前形成了少量的针状铁素体分割了奥氏体晶粒，从而细化了最终的复合组织。关键词:超低碳钢，贝氏体，针状铁素体，厚板，组织细化GrainGrainGrainGrainRefinementRefinementRefinementRefinementMechanismsMechanismsMechanismsMechanismsofofofofaaaa700MPa700MPa700MPa700MPaUltraUltraUltraUltraLowLowLowLowCarbonCarbonCarbonCarbonBainiteBainiteBainiteBainiteHeavyHeavyHeavyHeavyPlatePlatePlatePlateSteelSteelSteelSteelXiaZheng-hai1,CaoZhi-qiang1,LuoDeng1,ZhangYong-dong1GuoAi-min2,WuKai-ming(K.M.Wu)2(1R&DCenter,XiangtanIronandSteelCo.Ltd,HunanValinGroup,Xiangtan,411101,China2HubeiProvinceKeyLaboratoryforSystemicsonMetallurgicalProcessing,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,430081,China)作者简介：夏政海，男，1966年4月生，高级工程师，华菱湘钢科技开发中心新产品开发所主任，主要从事品种钢的开发工作。E-mail:[e-mail]。ABSTRACT:ABSTRACT:ABSTRACT:ABSTRACT:Afine-grainedbainiticmicrostructurewasobtainedbymeansofaultralowcarbonandmicroalloyingsteeldesigninconjunctionwiththermomechanicalcontrolledprocess(TMCP).MicrostructuresandprecipitateswererevealedbyOlympusopticalmicroscope,fieldemissionscanningelectronmicroscope(FE-SEM)andtransmissionelectronmicroscope(TEM).Resultsshowthatmixedmicrostructuresofgranularbainiteandasmallamountofacicularferriteandpolygonalferriteareobservedina700MPaultralowcarbonbainiticheavyplatesteel.Theyieldstrengthandtensilestrengthofheavyplatesislargerthan580MPaand700MPa,respectively.Theimpacttoughnessat-20℃Akvislargerthan150J.Theheavyplatehasagoodcombinationofhighstrength,goodtoughnessandweldability.Thegoodmatchingofhighstrengthandgoodtoughnessisattributedtothefine-grainedmixedmicrostructuresconsistingofgranularbainiteandacicularferrite.Theacicularferriteisformedpriortogranularbainitetransformation.Theacicularferritethuseffectivelydividesthepriorausteniteintomanysmallerregions,andconsequentlygranularbainitetransformedatlowertemperaturesisrestrictedinthesmallerregions.Fine-grainedmixedmicrostructuresofbainiteandacicularferritewerethusobtained.KKKKeyeyeyey前言超低碳贝氏体钢（ULCB钢）是近二十多年来国际上新发展的一大类高强度、高韧性、多用途钢种[1-3]。ULCB钢主要可分为两大类，其一是以美国和加拿大为代表的Cu-Nb－B系列；其二是以日本为代表的Mn－Nb－B系列。我国发展了自己的Mn－Nb－B系列贝氏体钢[2-3]。该类钢的合金成份设计已突破了原有的高强度低合金钢的模式，大幅减少了钢中碳的含量（一般这类钢中的碳含量不大于0.05wt％），彻底消除了碳对贝氏体钢韧性的损伤,钢的强度不再依赖碳的含量，而是主要靠位错强化、细化晶粒强化以及ε－Cu的沉淀强化等手段来保证钢的强度水平，从而使该类钢强韧性匹配极佳，尤其是焊接性能较传统的需要调质处理的HY-80、HY-100钢系列等钢种有了大幅度提高[1-3]。国内目前使用传统的600-800MPa级厚钢板主要采用较高合金量的调质钢，这类钢碳含量及贵重合金元素含量高，钢板制造需要复杂的淬火及回火热处理。同时，得到的钢板低温韧性不好，尤其是焊接性能差，构件焊接时不得不进行钢板焊前预热及焊后消除应力热处理，一般预热温度达到120℃以上，使得钢板和构件制造成本十分昂贵，已经严重制约了钢结构及工程机械制造行业的发展。如何减少合金含量，简化高强度中厚钢板的生产工艺，降低钢板生产成本；同时简化构件焊接工艺，焊前厚钢板不进行预热或稍加预热，焊后构件不进行消除应力处理，以大幅度降低构件生产成本，提高构件生产效率，是提高钢铁企业竞争能力，支撑我国制造业成为世界强国的重要课题。由于ULCB钢优良的综合性能和较低的生产和制造成本，使得该类钢广泛应用于煤炭机械行业、工程机械行业和钢结构行业以及寒冷地带的油气管线、海洋设施及舰船等方面[1-5]。目前，该钢种在朝更高强度级别和多功能化的方向发展。近二十年以来，世界各国对该类钢开展了大量的有关成份－工艺－组织－性能的研究工作，取得了许多实质性的进展，如高强度Mn－Nb－B和Cu-Nb－B系列贝氏体钢的研究与开发[2,3]，微合金高强度贝氏体钢的控制轧制与控制冷却工艺，微合金高强度贝氏体钢的驰豫析出控制工艺等[2,3]。但是，随着冶金装备和工艺的进展，尚有一些实际应用问题需进一步的研究和探讨。本课题的目的是通过实验室研究和工业性试制掌握700MPa级低碳微合金高强度贝氏体厚钢板的强韧化机理，为工业化批量生产提供实验依据和理论支撑。2实验材料与实验方法实验材料为工业性试制的700MPa级低碳微合金高强度贝氏体钢厚钢板，采用的生产工艺流程为：铁水预处理—转炉冶炼—LF精炼—VD真空脱气—连铸—加热炉加热—初轧—精轧—控冷—回火工艺进行生产。其化学成分如表1所示。表1700MPa级贝氏体钢的化学成分（wt%）Table1Chemicalcompositionofa700MPagradebainiticsteel(wt%)从试验钢板上截取小试样，将纵截面（沿轧制方向）磨平、抛光，用3vol.%的硝酸酒精浸蚀后在OlympusBM51光学显微镜和FEI生产的Sirion200场发射扫描电子显微镜（SEM）下对微观组织进行观察与分析。使用双喷减薄方法制备薄膜样品在FEI生产的TecnaiG220型透射电子显微镜（TEM）下对微观组织与析出相进行观察与分析。SEM和TEM都装有X射线能谱仪（EDS）分析系统，可以对各种物相进行分析。3结果与讨论3.1700MPa级贝氏体钢的CCT曲线的计算700MPa级钢的CCT曲线采用JMatPro软件进行计算与模拟。根据湘钢类似高强度钢的生产实际情况，在相变之前奥氏体晶粒大小约为12µm，模拟动态的CCT曲线。计算模拟的700MPa级钢的CCT曲线如图1所示。根据CCT曲线可以知道，在不同的冷却速度下，可得到铁素体、贝氏体及马氏体的转变产物。（1）在605°C开始出现有奥氏体向贝氏体转变；（2）在437°C以下才会出现马氏体转变；（3）在0.1-1.0°C/s的范围内转变为铁素体和珠光体；（5）在约1-50°C/s的较大冷却速度范围内转变为铁素体和贝氏体。由上述计算模拟可以知道，对于超低碳贝氏体钢，终轧结束后的冷却速度必须合适（10-30°C/s）。CSiMnPSAlBMo+Ni+CrNb+V+Ti0.050.251.550.0080.0050.04≤0.00300.60.095图1计算的700MPa级贝氏体钢的CCT曲线Fig.1CalculatedCCTcurvesofa700MPagradebainiticsteel3.2700MPa级贝氏体钢的显微组织图2为36mm厚板表面、1/4厚度和中心的光学显微组织。图3为36mm厚板轧态1/4厚度的SEM微观组织。由图可以看出，700MPa级钢的微观组织主要为贝氏体。在贝氏体组织中主要为粒状贝氏体(GB)，还有少量的针状铁素体(AF)和马氏体/残留奥氏体（M/A）小岛[2,6]。后面章节将会讨论，少量的针状铁素体的形成对于得到细化的复合组织具有重要的作用。粒状贝氏体的边界不规则，在粒状贝氏体组织中可见零乱分布的细小M/A岛。从图3的SEM微观组织可以看出，M/A岛的大小约为1-3µm。36mm厚板轧态表面、1/4厚度和中心的光学显微组织类型相同，组织粗细不同。从图中还可以看出，轧态厚板从中心到表面针状铁素体的数量增加，M/A岛数量减少；从中心到表面M/A岛的大小也不断变小。这主要是由于厚板表面的冷却速度较快，中心的冷却速度较慢。从CCT曲线可以看出，较快的冷却速度容易得到贝氏体和针状铁素体。（a）36mm厚板表面（b）36mm厚板1/4厚度（c）36mm厚板中心35µm图236mm厚板轧态的光学显微组织Fig.2Opticalmicrographsofanas-rolled36mm-thickplate.(a)onthesurface,(b)at1/4thicknessand(c)inthecenter（a）低倍（b）高倍图336mm厚板轧态1/4厚度的SEM微观组织Fig.3SEMmicrostructuresofthe1/4thicknessinanas-rolled36mm-thickplate.(a)lowmagnification,(b)highmagnification图4为36mm厚板回火1/4厚度的光学显微组织。图5为36mm厚板轧态1/4厚度的SEM微观组织。由上述结果可以看出，700MPa级钢的回火组织还是贝