高强钢低温韧性的影响因素简析.pdf

鞍钢技术2023 年第3 期ANGANG TECHNOLOGY专家论坛高强钢低温韧性的影响因素简析张中武1 2,魏兴豪！（1.哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，黑龙江哈尔滨1 50 0 0 1；2.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁鞍山1 1 40 0 9)摘要：在高强钢中，常常使用多种强化方式来提高强度，很容易引入不利于韧性的因素，导致韧脆转变温度升高，冲击功下降。为了探寻提高冲击韧性的有效方法，增强高强钢安全服役的可靠性，从基体组织、第二相和晶界偏析三个方面总结分析了其对低温韧性的影响，期望能为解决高强钢中低温韧性较低的问题提供有效的解决思路和方法，也为高强高韧钢的设计和制备提供参考。关键词：高强钢；低温韧性；韧脆转变；韧化机制中图分类号：TG142D01:10.3969/j.issn.1006-4613.2023.03.001Analysis on Factors Affecting Toughness ofHigh Strength Steel at Low TemperatureZHANG Zhongwul2,WEI Xinghao(1.College of Materials Science and Chemical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,Heilongjiang,China;2.State Key Laboratory of Metal Material forMarine Equipment and Application,Anshan 114009,Liaoning,China)Abstract:As far as high strength steels concerned,many strengthening methods are commonlyused to improve strength,it is easy to introduce adverse factors to the toughness,resulting in theincreasing of ductile-brittle transition temperatures and decreasing of impact energy.In order toexplore effective methods for improving impact toughness and enhance the reliability of highstrength steel in safe service,the effect of microstructures in matrix,second phase and grain-boundary segregation in terms of the high strength steel on low temperature toughness wassummarized and analyzed,hoping to provide effective ideas and solutions for solving the problempoor toughness of high strength steels at low temperature,and also provide the reference fordesigning and producing high strength and high toughness steels.Key words:high strength steel;low temperature toughness;tough-brittle transition;toughening mechanism高强钢在土木、机械、船舶海洋工程、管道等各个领域的应用越来越广泛 1-2 。高强钢的制造旨在实现物理和机械性能的最佳组合，包括强度、韧性和延展性。冲击韧性与抗断裂性直接相关,是高国家重点研发计划项目：2 0 2 0 YFE0202600国家自然科学基金（叶企孙联合基金）项目：U2141207张中武，博士，教授，博士生导师，主要从事高性能钢铁的基础与应用研究。E-mail:总第441 期文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-46 1 3(2 0 2 3)0 3-0 0 0 1-0 7强钢在工程应用中最重要的性能之一。一般来说，随着钢的强度增加,其冲击韧性可能会降低，超高强度的获得常常是以牺牲韧性为代价。影响高强钢低温韧性的因素有很多，任何一个因素控制不好都可能导致低温韧性大大降低。在高强钢中，常常使用多种强化方式来提高强度，很容易引人不利于韧性的因素。因此，系统了解高强钢低温韧性一1-鞍钢技术2 0 2 3 年第3 期张中武等：高强钢低温韧性的影响因素简析总第441 期的影响因素，对于高强钢的设计和发展有着至关1.2组织类型重要的作用。高强钢的组织与冲击韧性密切相关，不同的组织韧性差异非常大。图1 为低合金高强钢中不1基体组织对高强钢低温韧性的影响同组织的金相照片 5,在低合金高强钢中，常见的1.1晶体结构组织类型包括多边形铁素体，板条马氏体和低碳韧脆转变是体心立方(BCC)金属中普遍存在贝氏体。图1(a)中的多边形铁素体晶粒尺寸通常的现象,即在韧脆转变温度(DBTT)以下,材料的较大，在冷却过程中还会生成如图中黑色区域的断裂方式由韧性断裂突变为解离断裂，冲击功骤马氏体-奥氏体岛，这些岛可能会作为裂纹萌生的然降低。一般认为体心立方晶体中位错阻力随温位置。图1(b)中所示为典型的板条马氏体组织，原度的下降而变大，位错迁移率降低是导致韧脆转奥氏体和板条束较为明显，在一些板条马氏体中还变的主要原因。位错迁移率降低导致屈服强度升会有残余奥氏体以薄膜的形式保留在板条之间，具高，而解离断裂强度随温度的变化并不明显。在有较好的强韧性。图1(c)为低碳贝氏体组织，主要高于韧脆转变温度的区间，解离断裂强度高于屈由贝氏体的粗板条和板条间的马氏体-奥氏体岛组服强度，优先发生韧性断裂 3 。而在韧脆转变温度成,这些岛相较于图1(a)中多边形铁素体中的岛点以下，解离断裂强度低于屈服强度，优先发生要小得多，不太可能引发脆性断裂。赵宇等 6 研究脆性解离断裂。最近,韩卫忠等 4进一步研究发现发现通过改变轧制和萍火工艺，可以在成分不变的螺位错速度与刃位错速度的比值是影响韧脆转情况下获得不同显微组织，在-8 0 时多边形铁素变的控制因素。而面心立方晶体因位错阻力对体冲击功是1 0 J，而通过增加低温精轧和淬火获得于温度变化不敏感，所以没有明显的韧脆转变细小板条马氏体组织后，在同多边形铁素体保持相现象。同强度的条件下，冲击功提升到了1 50 J。a(b)10um（a）多边形铁素体；（b）板条马氏体；（c）低碳贝氏体图1 低合金高强钢中不同组织的金相照片Fig.1 Metallographic Photographs of Different Microstructures in Low Alloy High Strength SteelThompson5总结了不同组织结构的低合金高强钢的强韧性规律，不同组织的强韧性匹配统计见图2 所示。在屈服强度为9 0 0 MPa，温度为-84时，板条马氏体低温韧性可达到1 6 0 J以上，继续提高强度，韧性就会下降；低碳贝氏体大多韧性较差，少部分在8 0 0 MPa能达到1 6 0 J;多边形铁素体强度整体较低，在6 0 0 MPa时部分韧性可以达到1 6 0 J以上。板条马氏体加逆转变奥氏体的组织强度相较板条马氏体低了约200MPa，在8 0 0 MPa时韧性较好。研究发现多边形铁素体中应力集中点的分布非常不均匀，而板条马氏体中应力集中点大多均匀分布在板条交界一2 一处，这些应力集中部位是裂纹萌生的主要位置 7 。板条马氏体中均匀分布的高密度应力集中位置有利于在变形过程中消耗能量，抑制裂纹的不稳定扩展 8 1.3大角度晶界和晶粒尺寸取向差大于1 5的大角度晶界对于裂纹扩展有明显的阻碍作用，当裂纹在扩展过程中遇到大角度晶界时，裂纹倾向于发生偏转或者被阻止。Diaz-Fuentes等 9 发现，低碳钢中的解理断裂总是沿着（1 0 0)扩展，并且裂纹在大角度晶界处发生明显偏转。因此，大角度晶界的含量对于冲击韧性影响很大。多边形铁素体中仅铁素体晶界是大鞍钢技术2023 年第 3 期ANGANG TECHNOLOGY200O160/早啦0.1 8-12080F400板条马氏体+贝氏体铁素体多边形铁素体020040060080010001200屈服强度/MPa图2 不同组织的强韧性匹配统计Fig.2 Matching Statistics for Strength and Toughnessof Steel with Different Microstructures角度晶界，而在板条马氏体中，板条块之间的界面均为大角度晶界，因此马氏体中具有大量均匀分布的大角度晶界，数量远多于铁素体，这些大角度晶界是阻碍裂纹扩展的主要障碍1 0 。晶粒尺寸对于韧性的影响也是通过晶界阻碍裂纹扩展来实现。晶粒细化提高了单位面积下的大角度晶界的数量。在马氏体中，晶粒尺寸一般定义为由大角度晶界围成的板条束的尺寸，因此相比铁素体和贝氏体，一般这种晶粒尺寸更小，常被称为有效晶粒尺寸 1 1 。解理断裂强度()与晶粒尺寸的关系也可以用Griffith方程来表示：=(1.4EW)*式中,E为弹性模量,MPa;d为晶粒尺寸,m;W为晶界处塑性断裂所需的能量,J/m。解理断裂强度的变化相较于屈服强度而言下降的更快，因此，随着晶粒尺寸的细化，韧脆转变温度是降低的。晶粒尺寸与韧脆转变温度关系 1 2 如图3 所示。0e2(d2)Oel(d.)0yi(d.)0y2(d2)0Tk2(d2)Txi(d)温度T图3 晶粒尺寸与韧脆转变温度关系Fig.3Relationship between Grain Size andDuctile Brittle Transition Temperature总第441 期图3 中晶粒尺寸由di下降到d2，相应的屈服强度和解理断裂强度也分别从y1和cl上升到2和2,而韧脆转变温度,即屈服强度曲线和解理断裂强度曲线的交点，从Tkl下降到了Tk2，低温韧性得到提高 1 2 。2第二相颗粒对高强钢低温韧性的影响+882.1夹杂物在大多数情况下，非金属夹杂物都会对低温韧性产生较大的负面影响 1 3-4。常见的夹杂物包括硫化锰（MnS），氧化铝（AlO，）和尖晶石MgO-Al,O3以及经过钙处理的硫化钙（CaS）和铝酸钙(CaO-yAl,Os)等。Tervo等 1 5 发现MnS和TiN等夹杂物会导致高于韧脆转变温度时垂直轧向的冲击功降低。Guan等 1 6 发现夹杂物附近应力集中程度更高，裂纹更容易萌生，同时计算发现夹杂物越软越容易导致裂纹扩展。Yu17-18认为夹杂物和周围材料之间的结合力较弱，在变形时夹杂物和基体无法协同会产生初始裂纹。在韧脆转变温度之上，发生的主要是微孔聚集型韧性断裂。韧性断裂通常是在第二相颗粒处的空隙中裂纹成核和生长。夹杂物的体积分数和间距都会对韧性产生影响。Rice等 1 9 通过建立裂纹尖端钝化模型发现，当夹杂物的体积分数固定，材料韧性随着夹杂物间距的增加而线性增(1)加；当夹杂物的间距保持不变，韧性随着夹杂物体积分数的减小而增加，但是增加速率逐渐减小。Zhou等 2 0 发现在韧脆转变温度之下，夹杂物控制导致的韧性差异主要由解理裂纹起始能量决定。发生脆性解离断裂时夹杂物主要通过增强局部应力集中间接诱发裂纹萌生，从而促进解理断裂，不利于韧性。2.2渗碳体渗碳体在钢中通常作为裂纹萌生的起裂点，其形态和分布对于低温韧性有很大的影响 2 1 。Akihide等 2 2 通过控制冷却速度研究了渗碳体分布位置和尺寸对低温韧性的影响，发现