熱處理對(duì)1000MPa級(jí)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼組織和性能的影響

發(fā)布時(shí)間：2016-11-18 15:52

本文關(guān)鍵詞：熱處理對(duì)1000MPa級(jí)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼組織和性能的影響，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第32卷第5期；2010年5月；北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)Vol.32No.5May201；JournalofUniversityofSci；熱處理對(duì)1000MPa級(jí)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼組織和性；的影響；錢亞軍余偉武會(huì)賓楊躍輝；北京科技大學(xué)冶金工程研究院,北京100083；222Cu22摘要設(shè)計(jì)了一種低碳Mn2Mo2Nb；icalcontrol2process)+回火與；

第32卷第5期

2010年5月

北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)Vol.32No.5May2010

JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing

熱處理對(duì)1000MPa級(jí)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼組織和性能

的影響

錢亞軍　余　偉　武會(huì)賓　楊躍輝

北京科技大學(xué)冶金工程研究院,北京100083

222Cu22摘　要　設(shè)計(jì)了一種低碳Mn2Mo2Nb2B系超高強(qiáng)度工程機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼,研究了在同種成分條件下TMCP(thermo2mechan2

icalcontrol2process)+回火與控軋+直接淬火+回火兩種工藝對(duì)鋼組織和性能的影響.對(duì)比分析了熱處理前后鋼板各項(xiàng)力學(xué)

性能和組織的變化.結(jié)果表明,兩種工藝條件下鋼的屈服強(qiáng)度和沖擊性能的變化趨勢(shì)相似,經(jīng)500～620℃回火1h后鋼的屈服強(qiáng)度均有大幅度提高.控軋+直接淬火+回火得到的鋼板綜合性能明顯優(yōu)于TMCP+回火,前者在600℃回火后屈服強(qiáng)度仍達(dá)到1000MPa以上,同時(shí)延伸率達(dá)到18%,-40℃沖擊功大于30J,而后者塑性較好但強(qiáng)度稍低;隨回火溫度的升高,控軋+直接淬火+回火工藝條件下的組織演化速度要快于TMCP+回火工藝.關(guān)鍵詞　結(jié)構(gòu)用鋼;工程機(jī)械;熱處理;顯微組織;力學(xué)性能分類號(hào)　TG14211

Effectofheattreatmentonthemilpropertiesof1000MPagradestructuralsteelery

QIANYa2jun,YUWei,WUMetallurgicalIofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China

ABSTRACT　Alow2Mn2Mo2Nb2Cu2BultrahighstrengthstructuralsteelforconstructionmachinerywasdesignedandtheeffectofTMCP(thermo2mechanicalcontrolprocess)+tempering(TMCP+T)technologyandcontrolledrolling+directquenchingandtempering(CR+DQ+T)technologyonitsmicrostructureandmechanicalpropertiesunderthesamecompositionwasstudied.Thechangesinmechanicalpropertiesandmicrostructuresofthesteelplatesbeforeandafterheattreatmentwerecomparativelyanalyzed.Theresultsshowthataftertemperingfrom500℃to620℃for1h,thereisasubstantialincreaseofthesteelplatesinyieldstrength.TheperformanceofthesteelplatestreatedbyCR+DQ+TprocessisobviouslysuperiortothatbyTMCP+Tprocess,andtheyieldstrengthoftheformerisstillmorethan1000MPaaftertemperingat600℃.Besides,theelongationcanreach18%andtheimpacten2ergyat-40℃ismorethan30J.However,theplasticityofthelatterisbetterbutthestrengthslightlylower.Withthetemperingtem2peratureincreasing,theevolutionspeedofmicrostructuresundertheconditionofCR+DQ+Tismorequicklythanthatunderthecon2ditionofTMCP+T.

KEYWORDS　structuralsteel;constructionmachinery;heattreatment;microstructure;mechanicalproperties

　　近幾年我國工程機(jī)械制造業(yè)發(fā)展迅速,同時(shí)對(duì)高強(qiáng)度鋼的需求也越來越大.目前大量使用的高強(qiáng)鋼,強(qiáng)度級(jí)別大多在800MPa以下,國內(nèi)只有鞍鋼、寶鋼等少數(shù)幾家鋼廠可以生產(chǎn)800MPa以上級(jí)別的高等級(jí)鋼,但仍然存在合格率較低的問題,高等級(jí)鋼

23][12

仍需進(jìn)口.大規(guī)模使用高強(qiáng)度鋼對(duì)于提高工程

機(jī)械的能力效率、延長使用壽命、減輕自重和降低能

耗都具有十分重要的作用.

傳統(tǒng)的工程機(jī)械用高強(qiáng)度鋼板主要以固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化為主來提高強(qiáng)度,其中碳和合金元素含量較高,生產(chǎn)工藝大多為調(diào)質(zhì)處理,如美國的高屈服強(qiáng)度鋼HY80～130(σ012=550～890MPa).近年來,

2082231收稿日期:20092

基金項(xiàng)目:“十一五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.2006BAE03A06)作者簡介:錢亞軍(1981—),男,碩士研究生;余　偉(1968—),男,副研究員,博士,E2mail:yuwei@nercar.ustb.edu.cn

?600?

北　京　科　技　大　學(xué)　學(xué)　報(bào)第32卷

TMCP工藝和直接淬火工藝有了很大發(fā)展,可以簡

化生產(chǎn)工藝,降低碳和合金元素含量,提高工程機(jī)械

高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼的綜合性能,如美國利用TMCP工藝

2100(σ012=690發(fā)展了含Cu高強(qiáng)度低合金鋼HSLA2

MPa),并用來取代HY80～100,在沒有明顯降低強(qiáng)

[6]

低(-40℃沖擊功小于25J).Chen等研究了此

22類鋼中Ti、Ti2Mo和Ti2Nb組合對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn),結(jié)果

度的情況下,改善了韌性和焊接性能.Ghosh

[5]

等采用低C(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0108%)微合金化工藝的同時(shí),添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3146%的Mo和1188%的Cu,通過TMCP工藝獲得了屈服強(qiáng)度達(dá)1300MPa的超高強(qiáng)度鋼,但是延伸率(12%～16%)和沖擊功偏

[4]

得出(Ti,Mo)C析出貢獻(xiàn)最大,并且其納米級(jí)尺寸穩(wěn)定性高.目前國內(nèi)也有一些關(guān)于高強(qiáng)度工程機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼的研究,但多集中于屈服強(qiáng)度在1000MPa

210][72

以下(Q690、Q800等)的開發(fā)和研究上.本文結(jié)22Nb22合前人的相關(guān)研究,設(shè)計(jì)了一種低碳Mn2Mo2

2Cu2B系超高強(qiáng)度工程機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼,并采用兩種工藝(分別稱之為工藝1、2,圖1)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試制

圖1　兩種工藝熱軋及冷卻制度示意圖.(a)工藝TMCP(b)工藝2,CRT

Fig.1　Schematicdiagramsofhot2rollingandheattreatmentoftheo(a)+T;(b)Process2,CR+DQ

1　實(shí)驗(yàn)材料和方法

111　化學(xué)成分

:降低碳含量,改善韌性和焊接性能,添加適量合金元素,以保證得到滿足性能要求的組織.主要成分如表1所示.

,其成分設(shè)計(jì)

表1　實(shí)驗(yàn)鋼的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

Table1　Mainchemicalcompositionoftheexperimentalsteel

C0106

Si0124

Mn118

Mo013

Nb01045

V01067

Ti01012

Ni0179

Cu018

B010014

S01005

%P01008

112　實(shí)驗(yàn)工藝

11211　熱軋工藝及冷卻制度

將鋼錠熱鍛成90mm×90mm×120mm的熱軋坯,在北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心350試驗(yàn)軋機(jī)上進(jìn)行了軋制,經(jīng)過7道次,軋成厚13mm的鋼板.根據(jù)實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分特點(diǎn),將加熱溫

塊鋼,在箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行七個(gè)溫度段的回火

(450、500、550、600、620、650和700℃),保溫1h后空冷至室溫,再將鋼塊機(jī)加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣和沖擊樣.113　性能測試和組織結(jié)構(gòu)觀察設(shè)備

24105型萬能試驗(yàn)機(jī)和JB2230B型沖擊在CMT221450型掃描試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試.用LEO2

電鏡對(duì)組織演化過程進(jìn)行觀察,并將部分試樣制備

22000FX型成萃取碳復(fù)型和金屬薄膜樣品,用JEM2

22010型高分辨電子顯微鏡對(duì)精細(xì)透射電鏡和JEM2

結(jié)構(gòu)和析出物進(jìn)行觀察和分析.

度確定為1250℃,保溫時(shí)間為2h.將鋼板的軋制分為兩個(gè)階段來控制軋制,粗軋開軋溫度為1100℃,粗軋三道次軋制溫度控制在1000℃以上,精軋階段的開軋溫度控制在950℃以下,終軋溫度850℃,精軋壓下率大于60%.對(duì)于TMCP工藝,軋后空冷到780℃,然后水冷至450℃.對(duì)于CR+DQ工藝,軋后空

冷到780℃,然后直接淬火至室溫,如圖1所示.11212　熱處理工藝

從軋后(TMCP)1和(CR+DQ)2鋼板各取七

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

211　熱處理前后的力學(xué)性能變化

從圖2可以看出,工藝2條件下鋼軋態(tài)的抗拉

第5期錢亞軍等:熱處理對(duì)1000MPa級(jí)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼組織和性能的影響

?601?

強(qiáng)度要比工藝1條件下高出200MPa以上,屈服強(qiáng)度也要高出100MPa,但是塑性和沖擊韌性要低于工藝1,說明控冷和弛豫工藝有助于改善鋼的塑韌性.在回火過程中,兩種工藝鋼呈現(xiàn)的共同特點(diǎn)是:隨回火溫度升高,屈服強(qiáng)度變化曲線均呈現(xiàn)M形,存在兩個(gè)強(qiáng)度峰值,在500～600℃范圍內(nèi)屈服強(qiáng)度提高,屈強(qiáng)比也逐漸升高,同時(shí)韌性下降;大于600℃時(shí)屈服強(qiáng)度降低,延伸率迅速提高,韌性改

善,抗拉強(qiáng)度開始快速下降.不同之處在于:600℃

以下回火時(shí),抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)不同,工藝1條件下鋼在500℃以下回火時(shí),強(qiáng)度一直上升,在500～600℃時(shí)變化較為平穩(wěn);而工藝2條件下鋼在500℃以下回火時(shí),強(qiáng)度則是快速下降,下降幅度達(dá)100MPa,后又上升,550℃時(shí)達(dá)到峰值,同時(shí)兩種工藝鋼在屈服強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)的溫度點(diǎn)也有所差別,工藝2高于工藝1

圖2　回火溫度對(duì)兩種工藝鋼力學(xué)性能的影響.(a)工藝1;(b)工藝2;(c)兩種工藝鋼-40℃沖擊功的變化

Fig.2　Effectoftemperingtemperatureonthemechanicalpropertiesofthesteelplatestreatedbythetwoprocesses:(a)Process1;(b)Process2;(c)changesinimpactenergyat-40℃

　　兩種工藝相比,工藝1下鋼的屈服強(qiáng)度均沒有超過1000MPa,而工藝2在低于620℃溫度區(qū)間都

可以達(dá)到1000MPa并且延伸率都大于16%,綜合力學(xué)性能良好.212　熱處理前后的顯微組織

圖3所示是兩種工藝條件下鋼的微觀組織隨回火溫度變化的情況.由于含有B、Mo等高淬透性元素和其他合金元素,這兩種工藝鋼均具有較高的淬透性和奧氏體穩(wěn)定性.圖3和圖4分別為兩種工藝鋼的軋態(tài)組織SEM和TEM照片.工藝1鋼軋態(tài)組織是由板條狀貝氏體和粒狀貝氏體組成的混合組織,以板條狀貝氏體為主,板條較為粗短,不同晶粒

2內(nèi)板條束取向差異明顯,有少量的M2A島(martens22A島)沿界面處分布,并且碳化物在ite2austenite,M2

基體上彌散分布.工藝2鋼基體組織是以淬火馬氏

2A體和貝氏體板條為主,含有少量粒狀和長條狀M2

島.板條束由晶界開始生長,同一板條束內(nèi)板條取向一致,板條細(xì)長甚至貫穿整個(gè)晶粒.由于在未再

結(jié)晶區(qū)變形量較大,原奧氏體晶粒明顯被壓扁拉長,晶界清晰,晶粒內(nèi)部存在較多的變形帶.由TEM照片可以看出,工藝2所得到的淬火馬氏體板條寬度(250～300nm)小于工藝1所得到的貝氏體板條,同時(shí)位錯(cuò)密度較高.

450℃回火后兩種工藝的宏觀組織仍然保持著

2A島和碳化物發(fā)生熱軋狀態(tài).工藝1板條清晰,M2

分解相比軋態(tài)數(shù)量明顯減少并縮小;工藝2淬火馬

氏體板條間和原奧氏體晶界處仍然含有較多的長條

2A島.隨著回火溫度的升高,貝氏狀和短棒狀的M2

2體2馬氏體板條發(fā)生部分合并連接和粗化(圖3(f)、

圖4(d)),但大部分板條依然清晰可見.工藝2粗

2A島和碳化物明顯減化特征要大于工藝1,同時(shí)M2

少.650℃回火時(shí),工藝1板條繼續(xù)粗化并生成了少

?602?

北　京　科　技　大　學(xué)　學(xué)　報(bào)第32卷

量多邊形鐵素體;而工藝2板條變短粗化更為明顯,

2A島和碳化物完全分解,已經(jīng)形成了較多的多邊M2

形鐵素體(圖3(h)).從上述比較可以看出,工藝1

組織的回火穩(wěn)定性要強(qiáng)于工藝2

(c)、(e)和(g)分別為工藝1軋態(tài)、(d)、(f)和(h)分別圖3　.(a、450℃、550℃和650℃回火時(shí)組織;(b)、

為工藝2軋態(tài)、450650℃回火時(shí)組織

Fig.3　Microstructureevolutionwithtemperingtemperature:(a),(c),(e)and(g)aretheSEMimagesofthesteelplatesunderhot2rolledstate,afterbeingtemperedat450℃,550℃and650℃inProcess1,respectively;(b),(d),(f)and(h)aretheSEMimagesofthesteelplatesunderhot2rolledstate,afterbeingtemperedat450℃,550℃and650℃inProcess2,respectively

圖4　兩種工藝鋼板組織TEM照片.(a)和(c)分別為工藝1軋態(tài),550℃回火;(b)和(d)分別為工藝2軋態(tài),550℃回火

Fig.4　TEMimagesoftwotypesofexperimentalsteels:(a)and(c)arethemicrographsofthesteelplatesunderhot2rolledstateandafterbeingtemperedat550℃inProcess1,respectively;(b)and(d)arethemicrographsofthesteelplatesunderhot2rolledstateandafterbeingtemperedat550℃inProcess2,respectively

3　結(jié)果分析與討論

通過軋后熱處理,兩種工藝鋼的力學(xué)性能都有較大幅度的改善,屈服強(qiáng)度提高了190～250MPa.兩種工藝鋼都經(jīng)過未再結(jié)晶區(qū)大變形量控軋,組織

2細(xì)化,貝氏體2馬氏體板條內(nèi)位錯(cuò)密度較高,在變形

各道次之間,特別是在終軋變形后的弛豫階段,由于應(yīng)變誘導(dǎo)作用,將生成大量極為細(xì)小的Nb、Ti碳氮

2Cu粒子等沉淀在位錯(cuò)上并將其釘扎,這化物和ε2

些位錯(cuò)在相變過程中基本上被繼承下來,并且仍然

第5期錢亞軍等:熱處理對(duì)1000MPa級(jí)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼組織和性能的影響

?603?

保持被釘扎狀態(tài)(圖5(a)).450℃回火時(shí),它們將繼續(xù)析出,對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用加強(qiáng),因此兩種工藝條件下屈服強(qiáng)度均出現(xiàn)了第1個(gè)峰值.隨后,屈服強(qiáng)

2Cu粒子開始粗化,沉淀度有所下降主要是由于ε2

密度數(shù)減少,對(duì)位錯(cuò)釘扎作用減弱造成的.工藝

2由于軋后直接淬火發(fā)生馬氏體相變,產(chǎn)生了大量的相變位錯(cuò),并且由于冷卻速率較快,位錯(cuò)回復(fù)程度低,密度更高,因此鋼的軋態(tài)強(qiáng)度很高,抗拉強(qiáng)度達(dá)

[11]

到1160MPa,屈服強(qiáng)度也達(dá)845MPa.然而,相變位錯(cuò)比較平直且大部分沒有被析出物釘扎,在回火過

[12]

程中容易消失和重新排列,因此造成了500℃以

2Cu等粒子優(yōu)下回火時(shí)抗拉強(qiáng)度迅速下降.由于ε2

先在位錯(cuò)線上析出,馬氏體板條的高位錯(cuò)密度提供2Cu等粒子析了更多的沉淀形核位置,從而導(dǎo)致ε2出更細(xì)小,分布更均勻,強(qiáng)化效果更好

明顯高于工藝1(圖6(a))

[13]

,屈服強(qiáng)度

圖5　工藝2熱處理前后析出物形貌.(a)軋態(tài);(b)550℃回火;(c)650℃回火

Fig.5　MorphologiesofprecipitatesinProcess2beforeandafterheattreatment:(a)hot2rolledstate;(b)temperedat550℃;(c)temperedat650℃

圖6　工藝2回火過程中位錯(cuò)與析出物的相互作用.(a)450℃回火;(b)550℃回火;(c)650℃回火

Fig.6　InteractionbetweenprecipitatesanddislocationnetworksinthetemperingprocessofProcess2:(a)temperedat450℃;(b)temperedat550℃;(c)temperedat650℃

　　工藝1條件下,由于鋼板弛豫后控冷過程中位錯(cuò)多被釘扎,并且在隨后不同溫度回火過程中,將會(huì)

有進(jìn)一步析出(Nb、Mo和V等,兩種工藝下的二次強(qiáng)度峰值也是由這些合金元素的析出所產(chǎn)生的,同時(shí)也造成了塑性和韌性相應(yīng)降低(圖5(c)、圖6(c))),造成新的硬化現(xiàn)象,這時(shí)原來被析出釘軋的位錯(cuò)不能回復(fù)消失,因此回火過程中組織穩(wěn)定性較好

[12]

當(dāng)回火溫度大于600℃高溫回火時(shí),析出物開始相互吞并粗化,對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用減小,對(duì)變形奧氏體回復(fù)過程的阻礙作用減弱.同時(shí)位錯(cuò)可動(dòng)性大大增強(qiáng),密度下降造成基體軟化,強(qiáng)度很快下降,塑性和韌性提高.綜合看來,在工藝2條件下,鋼的力學(xué)性能較為優(yōu)秀,在強(qiáng)度大幅度提高的情況下,塑性和韌性并沒有大幅度下降.

,這也是在500～600℃時(shí)抗拉強(qiáng)度變化

較為平穩(wěn)的原因.同時(shí)由于工藝1細(xì)化了基體組織,Nb、Mo和V等合金元素的形核位置多、擴(kuò)散距離短,因此屈服強(qiáng)度達(dá)到二次峰值時(shí)的溫度比工藝2低.工藝1條件下沖擊性能隨強(qiáng)度的提高,下降較

4　結(jié)語

(1)實(shí)驗(yàn)鋼種碳含量和合金元素含量在同類鋼

中相對(duì)較低,在保證滿足性能要求的同時(shí),也提高了鋼的焊接性能.回火過程中微合金元素以及Cu、Mo的大量析出對(duì)強(qiáng)度的提升作用明顯,尤其對(duì)是屈服強(qiáng)度的影響,550～600℃回火時(shí),屈服強(qiáng)度上升了190～250MPa,與此同時(shí),抗拉強(qiáng)度下降較少.

(2)熱處理前的組織準(zhǔn)備對(duì)熱處理后鋼的綜合

多,但總體上一直高于工藝2.這是由于工藝1條件下位錯(cuò)多被穩(wěn)定釘扎,可動(dòng)性變差所致,但亞晶內(nèi)的貝氏體板條束間取向差異大,對(duì)微裂紋的擴(kuò)展起了一定的阻礙作用,提高了鋼的韌性.

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