高强度钢淬火态截面力学性能研究

高强度钢淬火态截面力学性能研究

高强度与高冲击强度的配合是船体、管道、压力容器和其他安装有厚板的不可避免的要求。铜时效硬化型的高强度船体钢通过降低钢中的碳含量改善焊接性能,利用铜的析出强化弥补强度的损失,是一种高强度、高韧性和良好的焊接性的钢种1钢板腐蚀试验试验材料为某钢厂生产的600MPa级轧态高强度船体钢板,厚度为35mm,其化学成分见表1。试验钢采用超低碳+Cu微合金化的合金设计思路,同时在钢中加入了一定量的Ni、Mo、Nb、Ti等元素。从原始钢板上截取200mm×200mm×35mm(厚度)的料块进行热处理试验,热处理制度为900℃×1h,采用水作为冷却介质进行淬火,在淬火后钢板的中间部位截取全厚度试样,用于拉伸、冲击、硬度、显微组织、透射、EBSD等试验,其中,硬度试验采用VH-5维氏硬度计进行试验,在试样截面上以0.5mm间隔测量表面到心部的维氏硬度值,载荷为5kg;在钢板截面不同位置取样并加工ue7885mm的拉伸试样进行室温拉伸试验,加工10mm×10mm×55mm夏比V型缺口冲击试样进行-80℃冲击试验;经硬度测试后的试样重新抛光后,采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀,采用S-4300场发射扫描电镜(SEM)观察各硬度点区域对应的显微组织;在不同截面位置截取金属薄片,采用机械研磨和双喷电解减薄的方法制备透射薄片,电解抛光液采用体积分数为6%的高氯酸酒精溶液,在H-800透射电镜观察精细结构。从截面试样的表面和心部截取10mm×10mm×5mm的试样(观察面平行于轧面),经打磨、机械抛光和电解抛光后进行EBSD分析,扫描步长为0.15μm。2试验结果2.1板不同厚度截面位置硬度变化图1为钢板经淬火后截面的硬度分布。由图1可知,试验钢板与马氏体强化钢相比淬透性较差,钢板不同厚度截面位置硬度有显著差异,其中,近表面的硬度达到315HV,随着距表面距离增加,硬度逐渐降低;在距表面8~17mm位置,硬度下降到240HV左右,并趋于平缓;在钢板厚度的1/2处(距表面约17~18mm位置),硬度值大幅度升高,在心部出现硬度峰值。2.2退火态钢板心部-80冲击性能钢板近表面和心部的拉伸性能见图2。从结果可以看出,淬火态钢板表面和心部的强度同样存在较大差异,其中,钢板近表面的抗拉强度和屈服强度分别为816、624MPa;钢板心部的抗拉强度和屈服强度分别为776、572MPa,较近表面降低50MPa左右。淬火态钢板近表面和心部的-80℃冲击性能如图2所示,从图中可以看出,钢板近表面的冲击功在196~229J范围且冲击功较为稳定,而心部的冲击功出现了两高一低,最低值达到25J。可见,钢板心部低温冲击韧性存在不稳定现象;此外,从冲击断口的断面纤维率(FA)可以看出,近表面的断面纤维率在70%以上,而心部冲击断面纤维率与冲击功类似,出现不稳定低值,最低值仅为20%。由上可知,截面硬度与近表面的拉伸性能具有良好的对应关系,即表面较心部具有较高的硬度和强度,同时近表面具有良好的低温冲击性能。2.3钢板表面组织随结构的变化和统计特性,根据一般外接射线lm/lb表面织构钢板的组织被压图3为试验钢淬火态的截面显微组织。淬火时,钢板表面具有较高的冷却速度,具有较高的相变驱动力,相变主要由切变的方式进行,钢板近表面的组织主要为板条马氏体(LM)/板条贝氏体(LB)的混合组织(图3(a)),具有LM/LB显微组织的材料表现良好的强韧性3分析与讨论3.1cu-ma组元分析采用H800透射电镜对淬火态钢板近表面、1/4处、心部的精细组织结构进行分析,图4(a)、(b)、(c)分别为钢板近表面、1/4处和心部的TEM明场像,可知,淬火态试验钢截面均不含有Cu的沉淀相,但组织类型及特征有显著差异。近表面为细小平行排列的板条结构,板条平均宽度约为0.26μm,板条上有高密度的缠结位错,衍射表明板条间的高衬度条带状薄膜为bcc结构,板条间不存在或存在极少量的残余奥氏体;钢板厚度截面1/4位置仍保持了板条组织结构,但板条较表面明显宽化,界面存在尺寸较小的MA组元;心部TEM分析发现,板条状的组织结构基本消失,在基体上分布着尺寸较大的不规则MA组元,且基体的位错密度远小于表面。板条宽度决定平均滑移面长度,随板条宽度减小,强化作用增加,所以细小的板条结构是近表面具有较高硬度和良好强韧性的重要原因。3.2退火态钢板的分布采用电子背散射衍射(EBSD)的试验方法进一步分析了钢板表面到心部组织的亚结构特征。从图5(a)淬火态钢板近表面的取向分布图可以看出,在高的冷速条件下并未使板条块明显细化,大多数的板条束只含有一个板条块或由一个大板条块为主导,板条块尺寸较为粗大,只有少部分板条束中含多个呈现间隔分布板条块,有利于细化板条块宽度。Kitahara研究表明研究表明,大角度晶界有效阻止裂纹扩展,有利于提高材料韧性3.3钢板心部偏析的影响从试验结果可以看出,淬火态钢板心部性能不稳定,其主要表现在出现硬度峰值,低温冲击功存在较大波动。钢板心部位置的显微组织主要为粒状贝氏体,由于心部冷速较低,有较粗大的MA岛存在,MA岛为脆性硬质相,对材料韧性带来不利影响综上所述,为保证35mm规格钢板全厚度具有良好的强韧性,一方面,要减少心部偏析以及控制夹杂物含量和尺寸;另一方面,需要严格控制淬火工艺,避免心部出现大量大尺寸MA组元。4硬度和冲击韧性(1)淬火态试验钢板近表面为细小的板条马氏体/贝氏体组织,Cu固溶在淬火组织中,具有细小的板条宽度及较高的位错密度和小角度晶界密度。近表面硬度高达315HV,抗拉强度和屈服强度分别为816、624MPa,-80℃冲击功在196~229J之间,拥有较高的硬度和良好的强韧性。(2)随着距表面距离的增加,板条含量降低,心部显微组织主要为粒状贝氏体组织,Cu固溶在淬火组织中,其板条束内板条块比例、大角度晶界密度和有效晶粒尺寸与近表面相差不大,而板条宽度明显宽化,位错密度和小角度晶界密度显著降低。在距表面8~17mm范围内,截面硬