多步热处理对含Cu中碳低合金钢组织与性能的影响_邸洪双.pdf

收稿日期:2021 12 31基金项目:“十三五”国家重点研发计划项目(2018YFB1308704);国家自然科学基金资助项目(51775102)作者简介:邸洪双(1958 )，男，辽宁锦州人，东北大学教授，博士生导师第44卷第3期2023 年 3 月东北 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Northeastern University(Natural Science)Vo l 44，No 3Mar2 0 2 3doi:1012068/j issn 1005 3026 2023 03 005多步热处理对含 Cu 中碳低合金钢组织与性能的影响邸洪双，柯浩鹏，张天宇(东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳110819)摘要:为解决含 Cu 中碳低合金钢在高温回火过程中强度与韧性难匹配的问题，设计了一种可协调强韧性的新型热处理方案 采用力学性能测试、组织表征、热力学计算等方法研究了多步热处理对实验钢微观组织及力学性能的影响 结果表明:通过淬火亚临界退火临界回火回火多步热处理后获得了回火马氏体+临界铁素体混合组织，马氏体板条变窄、组织得到细化、大角度晶界增加、位于原奥氏体晶界和板条界处的片状渗碳体球化，且板条内有部分富 Cu 相粗化 在该工艺下可获得优异的综合力学性能，屈服强度为901 MPa，抗拉强度为1 003 MPa，延伸率为22%，冲击功为35 J 与传统淬火回火工艺相比，该工艺下实验钢的强度降低，但冲击韧性提高约 3 倍，延伸率提高约 50%关键词:含 Cu 中碳钢;多步热处理;析出;热力学计算;力学性能中图分类号:TG 161文献标志码:A文章编号:1005 3026(2023)03 0340 09Effect of Multi-step Heat Treatment on Microstructure andMechanical Properties of Cu-Bearing Medium Carbon LowAlloy SteelDI Hong-shuang，KE Hao-peng，ZHANG Tian-yu(State Key Laboratory ofolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，ChinaCorresponding author:DI Hong-shuang，E-mail:hongshuangdi_ral162 com)Abstract:To solve the problem that the strength and toughness of Cu-bearing medium carbon lowalloy steel are difficult to coordinate during high temperature tempering，a novel multi-step heattreatment scheme was designed The effects of the heat treatment on the microstructure andmechanical properties of the experimental steel were investigated by mechanical properties test，microstructure characterization and thermodynamic calculationThe results showthat afterquenching subcritical annealing inter-critical tempering tempering，the mixed microstructurewith tempered martensite and inter-critical ferrite is obtainedThe martensite lath becomesnarrower，the microstructure is significantly refined，high angle grain boundaries increase，thelamellar cementite distributed at the prior austenite grain boundaries and lath boundaries isspheroidized，partial Cu-rich phases inthelatharecoarsenedExcellent comprehensivemechanical properties can be obtained by the multi-step process，with yield strength of 901 MPa，tensile strength of 1 003 MPa，elongation of 22%and impact energy of 35 J Compared to thatafter traditional quenching tempering process，the strength of experimental steel is reduced，butthe impact toughness and elongation are increased by around 3 times and 50%respectivelyKey words:Cu-bearingmediumcarbonsteel;multi-stepheattreatment;precipitation;thermodynamic calculation;mechanical properties含 Cu 低合金马氏体钢通过第二相析出强化可有效提升硬度、屈服强度、疲劳强度，同时也兼具良好的耐腐蚀性、焊接性能等，因而作为一种可靠结构材料被广泛应用于石油钻井平台、轨道交通、海洋舰艇等诸多领域1 3 含 Cu 低碳钢在450 600 温度下回火 1 h 可获得较高的屈服强度及显微硬度，这主要归因于 BCC Cu 的析出强化贡献4 5 然而，传统回火热处理很难在硬度和屈服强度达到“峰值”时获得理想的冲击韧性，这是由于富 Cu 团簇偏聚在原奥氏体晶界及马氏体板条界处会导致应力集中，使富 Cu 团簇成为裂纹源或裂纹扩展路径，从而使韧性降低6 同样，在含 Cu 中碳钢中，由于晶界处片状脆性渗碳体的存在，将使得韧性更低 而改善冲击韧性的方法包括提高回火温度、向马氏体基体引入奥氏体、细化晶粒尺寸等 其中，提高回火温度可降低位错密度、改变基体中析出相的状态(尺寸、形貌、数量、密度等)，从而改善冲击性能 但是，持续提高回火温度势必会导致强度损失增大 而增加亚临界退火可在马氏体基体中引入奥氏体来协调变形，同时可细化晶粒、增加大角度晶界来抑制裂纹扩展，从而提升冲击韧性7 值得注意的是，引入的奥氏体必须具备一定的稳定性才会在冷却和后续热处理过程中保留下来，这就需要在钢中添加一定含量奥氏体稳定性元素来实现8 9 Hou等10 在淬火回火(QT)工艺中间增加亚临界退火(L)后细化了低碳析出强化钢中马氏体有效晶粒尺寸、增加了大角度晶界密度从而实现增韧 然而，在含 Cu 中碳低合金钢中关于“峰值”条件下实现增韧的热处理工艺却鲜有报道 因此，本文旨在探索含 Cu 中碳低合金钢增韧的新工艺本文采用含 1.95%Cu(质量分数)的中碳低合金钢，在不同热处理工艺下，对其组织及力学性能进行了研究，设计出了一种新型多步热处理工艺 即在传统淬火回火工艺中增加两步临界热处理工艺来调控微观组织，在保证强度损失相对较小的情况下改善了冲击韧性，从而获得了综合力学性能良好的含 Cu 中碳低合金钢 其中，亚临界退火是为了细化晶粒尺寸、增加大角度晶界比例，临界回火可调整晶界渗碳体的形貌，而传统回火可实现富 Cu 相的析出强化1实验材料和实验方法实验钢的化学成分如表 1 所示 经过熔炼、锻造后的钢锭(100 mm 70 mm 70 mm)预先在1 200 均匀化10 h 之后，经6 道次热轧为7.5 mm厚的板材 用 Thermo Calc 软件计算了实验钢相变点(Ac1:665;Ac3:800)及平衡相体积分数所有试样在轧后预先进行淬火(850，13 min，记为 Q)，再进行亚临界退火(780，13 min，记为L)，临界回火(68 0，10 min，记 为 T)，回 火(500，60 min，记为 t)，热处理工艺如图 1 所示通过组合形成了 Qt，QLt，QTt，QLTt 四种热处理方式 为了研究不同工艺对力学性能的影响，分别对经过 Qt，QLt，QTt，QLTt 工艺处理的试样做了室温拉伸和冲击实验 其中，室温拉伸采用 GB/T2282010 标准试样，并以2 mm/min 应变速率在万能拉伸试验机(CTM5105)上进行;V 型缺口冲击试样采用 GB/T2292007 标准制备了比例为 1 2 的试样(5 mm 10 mm 55 mm)，在摆锤式冲击试验机(150 J)上进行，结果取3 个平行试样的均值表 1实验钢的化学成分(质量分数)Table 1Chemical composition of the experimental steel(mass fraction)%CCrMnSiNiAlCuSPO0.310.471.110.481.500.981.950.0010.0040.004 4图 1不同热处理工艺图Fig.1Schematic diagram of different heat treatments用体积分数为 4%的硝酸酒精溶液对金相试样进行腐蚀，采用奥林巴斯金相显微镜(OM)和配备有能谱分析(EDS)的 ULTA 55 场发射扫描电子显微镜(SEM)对微观组织进行观察 通过Smartlab9KW 型 X 射线衍射仪(XD)进行物相分析，采用 Cu 靶，衍射角在 40 100之间，步长为 0.02 采用电子背散射衍射(EBSD)对大小角度晶界进行分析，扫描步长为 100 nm/s 用于EBSD 和 XD 检 测 的 试 样 需 机 械 研 磨 后 在12.5%的高氯酸酒精溶液中电解抛光143第 3 期邸洪双等:多步热处理对含 Cu 中碳低合金钢组织与性能的影响2结果与讨论2.1热处理工艺对实验钢力学性能的影响表 2 为不同热处理工艺下实验钢的室温拉伸性能 经 Qt 工艺处理的实验钢获得了最高的强度(屈服强度:1 395 MPa，抗拉强度:1 430 MPa)这可归因于淬火回火试样中大量纳米富 Cu 相的析出强化、位错强化，以及 Cr，Ni，Mn 等合金元素固溶强化的共同作用11 与 Qt 工艺相比，经QLt，QTt，QLTt 工艺处理的实验钢虽然抗拉强度和屈服强度降低，但延伸率得到提高 其中，经QLTt 工艺处理的实验钢的屈服强度和抗拉强度较低，而总延伸率达到 22%(提高约 50%)由混合定律可知，抗拉强度由马氏体和铁素体的强度决定，而屈服强度则由析出强化和回火软化共同决定12 亚临界退火时马氏体大部分转变为奥氏体，且 C，Mn，Ni 等向奥氏体富集，在随后冷却时奥氏体不稳定又转变为马氏体，而少量未转变的铁素体元素贫化，形成了临界铁素体8 淬火试样在亚临界退火后形成板条马氏体+临界铁素体混合组织，其在随后回火时形成回火马氏体+回火铁素体，在临界铁素体中位错密度不如马氏体高，其在回火时由于第二相析出和位错湮灭会更软，在外力作用下更容易变形，因而塑性高、强度低 当淬火试样直接进行临界回火 回火两步高温处理后使马氏体板条合并，位错进一步回复，从而使基体严重软化，导致抗拉强度、屈服强度损失较大 此外，在临界回火时析出的富 Cu 相和渗碳体在后续回火时进一步粗化，导致屈服强度进一步降低 值得注意的是，亚临界退火温度接近 Ac3且保温时间短