发布时间：2022-04-21所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 【摘要】 为开发出屈服强度 1 100 MPa 级的超高强度工程机械用钢，研究了淬火制度对试验钢显微组织和力学性能的影响。结果表明，试验钢的淬火态组织为高位错密度的板条马氏体，板条内分布着长度为100 nm 左右的 -碳化物; 淬火温度和保温时间对原始奥氏体晶粒尺寸有明显
【摘要】 为开发出屈服强度 1 100 MPa 级的超高强度工程机械用钢，研究了淬火制度对试验钢显微组织和力学性能的影响。结果表明，试验钢的淬火态组织为高位错密度的板条马氏体，板条内分布着长度为100 nm 左右的 ε-碳化物; 淬火温度和保温时间对原始奥氏体晶粒尺寸有明显的影响，从而影响试验钢的力学性能。当淬火温度由840 ℃升高到 900 ℃时，试验钢的平均奥氏体晶粒尺寸由9 μm 增加到 12. 5 μm，屈服强度逐渐下降，低温冲击韧性先增加后降低; 当淬火温度为 840 ～ 860 ℃、保温时间为10 ～ 15 min 时，试验钢具有最优的强韧性。
【关键词】 超高强结构钢 淬火工艺 显微组织 奥氏体晶粒 力学性能
近年来，工程机械和矿山机械等行业的迅速发展对高强度结构用钢的需求日益增大，对钢板强度级别的要求也在不断提高[1-3]。应用高强度结构钢对提高工程机械装备的载荷能力、延长使用寿命、减重和降低能耗都具有十分重要的意义。目前，屈服强度 900 MPa 以上的高强度结构钢主要通过低碳低合金的成分体系，充分发挥微合金元素( Nb、V 和 Ti) 的作用，结合控轧控冷技术 ( TMCP) 和调质处理来获得所需要的高强度、良好韧性和焊接性能[4-6]。对于低合金高强度结构钢，淬火温度的选择至关重要，温度太低则奥氏体化不完全，太高则会造成奥氏体晶粒的粗化，对材料的综合性能不利; 加热时间也会对钢的奥氏体化过程产生影响，加热时间短，奥氏体成分不均匀，时间过长，能源消耗增多，生产效率降低，制造成本增加[7-9]。因此，本文以屈服强度为 1 100 MPa 级的超高强度工程机械用钢为研究对象，研究淬火工艺参数( 温度和时间) 对试验钢显微组织和力学性能的影响，从而确定能够获得最佳综合力学性能的淬火工艺。
1 试验材料与方法
试验用钢为厚度 8 mm 的 Q1100 热轧钢板，其化学成分( 质量分数，% ) 为: C0. 17 ～ 0. 20，Si 0. 20 ～ 0. 30，Mn 0. 80 ～ 1. 20，P ≤ 0. 010，S ≤ 0. 005，Cr 0. 40 ～ 0. 60，Ni + Mo < 2. 0，Nb + V + Ti < 0. 08，B 0. 001 ～ 0. 002，Fe 余量。利用全自动相变仪，参照 GB /T 5056—1985 钢的临界点测定方法，采用热膨胀法测定试验钢的相变点。将试样加工成 3 mm × 10 mm 的圆柱试样，并在试样的一端加工出 2 mm × 2 mm 的盲孔，作为测温热电偶的插孔，用焊在插孔底部的铂-铑热电偶测量温度。以0. 05 ℃ / s 的速率从室温加热到 950 ℃，保温5 min后以 50 ℃ / s 的速率冷却至室温。根据膨胀法测定试验钢的平衡相变温度 Ac1和 Ac3分别为 675 和 814 ℃，Ms 和 Mf 分别为 411 和 310 ℃。在箱式电阻炉中对试验钢板进行加热，根据 Ac3设定淬火加热温度区间为 840 ～ 900 ℃，温度间隔为 20 ℃，保温时间为 5 ～ 45 min，水淬至室温后，再对钢板进行 230 ℃回火。
采用电液伺服万能试验机和 INSTRON 9250 落锤冲击试验机测试不同工艺淬火的钢板的横向室温拉伸性能和纵向 - 40 ℃ 低温冲击韧性。沿钢板横剖面( 垂直于轧制方向) 截取金相试样，试样经研磨和抛光后，采用体积分数 4% 的硝酸酒精溶液进行腐蚀，然后在 LEICA DMIRM 光学显微镜 ( OM) 和 FEI Quanta600 扫 描 电 子 显 微 镜 ( SEM) 下观察试验钢的显微组织; 采用双喷电解减薄方法制取透射薄膜试样，电解液采用体积分数 9% 的高氯酸酒精溶液，通 过 FEI-Tecnai G2 F20 透射电镜( TEM) 观察试样的精细组织; 将金相试样重新抛光后用 70 ℃ 的饱和苦味酸水溶液腐蚀出原始奥氏体晶界，然后采用截线法统计不同温度淬火的试验钢的原始奥氏体晶粒尺寸。
2 试验结果与分析
2. 1 显微组织
如图 1 所示，热轧态试验钢的显微组织主要为粒状贝氏体，原奥氏体晶粒经两阶段控轧后明显被拉长。
经不同温度淬火的试验钢的显微组织如图 2 和图 3 所示，可以发现，试验钢的淬火组织均为典型的板条马氏体，板条形貌在光学显微镜下较难分辨，经不同温度淬火的试验钢的光学显微组织无明显差异。由于低碳钢的马氏体转变开始温度 Ms 和终止温度 Mf 都较高，因此试验钢经水淬后即可得到全马氏体组织，不会出现明显的残留奥氏体。由图 3 可以看出，通过 SEM 能够清晰地分辨出不同温度淬火的试验钢中的马氏体板条束和板条尺寸，但板条的形貌仍难以辨别。此外可以看出，840 和 860 ℃ 淬火的试验钢中的马氏体板条束尺寸明显要小于 880 和 900 ℃ 淬火的( 图 3( a、d) ) 。
相关知识推荐：论文发表费用能报销吗
试验钢淬火后的 TEM 照片如图 4 所示，可见其组织主要由高位错密度的马氏体板条构成，板条宽度为 200 nm 左右。此外，马氏体板条内部分布着方向各异的 ε 碳化物，长度为 100 nm 左右，这主要是由于试验钢的 Ms 点高达 411 ℃，因此在淬火过程中必然会发生一定程度的自回火，从而促使部分碳化物的形成。
2. 2 原始奥氏体晶粒
经不同温度淬火的试验钢的原始奥氏体晶粒及其平均晶粒尺寸分别如图 5 和图 6 所示。从图 5 中可以发现，淬火温度为 840 ℃ 时，奥氏体晶粒尺寸最小。随着淬火温度的升高，晶粒缓慢长大，当淬火温度进一步升至 900 ℃时，奥氏体晶粒明显长大，较 840 ℃ 时的奥氏体平均晶粒尺寸增大了约 4. 5 μm。当淬火温度较低时，微合金元素 ( Nb、V) 的碳-氮化物钉扎原始奥氏体晶界，阻碍奥氏体晶粒长大，所以奥氏体晶粒长大速度相对缓慢。随着淬火温度的升高，尤其当温度升高到 900 ℃时，微合金元素( 主要是 V) 的碳化物由于固溶到奥氏体中从而使钉扎奥氏体晶界的作用减弱，所以该温度下奥氏体晶粒长大比较明显。相关研究表明[10-12]，对于板条马氏体钢，马氏体板条束( packet) 和板条块( block) 的尺寸与原始奥氏体晶粒尺寸呈线性关系，板条束尺寸随着原始奥氏体晶粒尺寸的减小而减小，屈服强度和冲击韧性均随着板条束尺寸的减小而增大，因此板条束尺寸是控制板条马氏体钢强韧性的重要组织因素。
2. 3 力学性能
经不同温度淬火的试验钢的力学性能如图 7 所示，可以发现随着淬火温度的升高，屈服强度逐渐降低。这是因为 840 ℃淬火的钢的奥氏体平均晶粒尺寸最小，进而得到尺寸较小的马氏体板条束，根据霍尔佩奇公式 σs = σ0 + kd - 1 /2，细化晶粒能够提高屈服强度，对于板条马氏体钢，d 代表板条束的尺寸。淬火温度相同，随着保温时间的增加，屈服强度先升高后下降，在保温时间为 15 min 时，屈服强度基本达到最高值( 见图 7a) 。随着淬火加热温度的升高和保温时间的增加，试验钢的断后伸长率均不断降低，且当保温时间少于 15 min 时的断后伸长率较高，随后继续延长保温时间，断后伸长率的变化不明显( 见图 7b) 。分析认为，这是由于保温时间较短时晶粒比较细小，可以在更多的晶粒内开动位错和增殖位错，即细小的晶粒能使塑性变形更均匀，减小不均匀变形造成的应力集中，从而得到较高的塑性。随着淬火温度的升高和保温时间的增加，试验钢的低温冲击韧性先升高后降低，并且在较高淬火温度( 900 ℃ ) 和较长保温时间( 45 min) 时，冲击吸收能量下降得更为明显。当淬火温度为 860 ℃、保温时间为 10 min 时，试验钢的韧性最佳。
从强度指标来看，当淬火温度为 840 ℃、加热时间 15 min 时，试验钢的屈服强度最高，虽然获得最佳冲击韧性的加热时间为 10 min，但根据标准要求，此时的冲击吸收能量较屈服强度有更多的富余值，所以应优先考虑强度指标。为得到优良的综合力学性能，8 mm 厚 Q1100 试验钢板的最佳淬 火 工 艺 为 840 ～ 860 ℃ 加 热，保 温 10 ～ 15 min。
3 结论
( 1) 当淬火温度由 840 ℃ 增加到 900 ℃ 时，试验钢的奥氏体平均晶粒尺寸由 9 μm 增加到 12. 5 μm。
( 2) 随着淬火温度的升高，试验钢的屈服强度和断后伸长率均逐渐降低，而低温冲击韧性则先升高后降低; 随着保温时间的延长，试验钢的屈服强度和低温冲击韧性先升高后降低，而断后伸长率降低到一定程度后基本保持不变。
( 3) 淬火工艺为 840 ～ 860 ℃ 加热、保温 10 ～ 15 min 时，试验钢能够获得最优的强韧性。——论文作者：闫强军1 温长飞2 姜在伟1 张仪杰1 邓想涛2
参考文献
[1]张晓刚. 近年来低合金高强钢的进展[J]. 钢铁，2011，46 ( 11) : 1-8.
[2]楚觉非，方松，邓想涛，等. 工程机械用高强度结构用钢研究进展[J]. 江西冶金，2013，33( 3) : 4-7.
[3]张凯，易小刚，彭倩筠，等. 热处理工艺对工程机械用 1 000 MPa 级高强钢组织与性能的影响[J]. 机械工程材料，2014， 38( 4) : 29-34.
[4]王国栋. 以超快速冷却为核心的新一代 TMCP[J]. 上海金属，2008，30( 2) : 1-5.
[5]康健，卢峰，王昭东，等. 工程机械用 960 MPa 级调质钢板的淬火工艺研究[J]. 东北大学学报( 自然科学版) ，2011，32 ( 1) : 52-55.
[6]钱亚军，余伟，武会宾，等. 热处理对 1 000 MPa 级工程机械结构用钢组织和性能的影响[J]. 北京科技大学学报，2010， 32( 5) : 599-604.
[7]崔忠圻. 金属学与热处理[M]. 北京: 机械工业出版社，1997.
[8]李伟，陈文琳，吴跃，等. 42CrMo 钢加热时奥氏体晶粒长大演化规律[J]. 材料热处理学报，2015，36( 1) : 104-108.
[9]廖林镇，杨庚蔚，戴成珂，等. 30CrMo 钢的奥氏体晶粒长大行为及数学模型[J]. 上海金属，2016，38( 6) : 16-19.
[10]WANG C F，WANG M Q，SHI J，et al. Effect of microstructure refinement on the strength and toughness of low alloy martensitic steel[J]. Journal of Materials Science and Technology，2007，23 ( 5) : 659-664.
[11]MORITO S，SAITO H，OGAWA T，et al. Effect of austenite grain size on the morphology and crystallography of lath martensite in low carbon steels[J]. ISIJ International，2005，45 ( 1) : 91-94.
[12]王春芳，王毛球，时捷，等. 低碳马氏体钢的微观组织及其对强度的影响[J]. 钢铁，2007，42( 11) : 57-60.
SCI SSCI AHCI