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

1、回火温度对 Q 960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 960 Mpa 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

2、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 150 kg 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 100 mm（厚） 100 mm（宽） 120 mm（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 1 200，保温 0.51h 利用实验室 450 mm2 可逆式热轧机进行两阶段的控制轧制。奥

3、氏体再结晶区轧制在1 0001 150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830860。轧后利用层流冷却设备以 2530/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 6 mm 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

4、 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 Quanta 600扫描电子显微镜以及 Tecnai G220 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1200 Mpa，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300450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，

5、屈服强度 1030 Mpa，抗拉强度 1080 Mpa，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/T 16270-2009 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 0.20.4 m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

6、 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

7、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

8、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

9、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=(1+)(2)e=1n+(1+)(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； 与 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 1 030 Mpa，抗 拉强度为 1 080 Mpa，伸长率为 15.9