多尺度截面组织对调质海工钢强韧性的影响_胡磊.pdf

第 卷 第期 年月钢铁 ，：多尺度截面组织对调质海工钢强韧性的影响胡磊，张莉芹，胡锋，尹朝朝，陈腾升（武汉科技大学高性能钢铁材料及其应用省部共建协同创新中心，湖北 武汉 ；武汉科技大学应用物理系，湖北 武汉 ）摘要：在轧制与热处理过程中，大厚度海工钢表面到心部冷却速度、转变动力学存在较大差异，导致厚板截面上难以完全达到临界冷速，从而形成了马氏体、贝氏体多相组织。通过对特厚板截面组织观察和统计分析了解多尺度 亚结构对试验钢强韧性的影响。性能测试显示，抗拉强度与屈服强度从表层到心部略有降低，但厚板截面不同位置的低温冲击性能差别显著（表层、（为厚度）、心部 冲击功平均值分别为 、）。由于马氏体较高密度的晶格缺陷在 带斜率（）图中显示低画质的特点，结合高斯多峰拟合技术定量确定了板条马氏体（）和条状贝氏体（）混合组织（体积分数）（体积分数），两相混合组织的处具有高的大角度晶界比例、最低的平均取向差分布（）和几何必要位错密度（），因而拥有优良的低温冲击韧性。无扩散型马氏体相变受形核率影响极大而贝氏体相变受形核率与原子扩散速率共同作用，厚板截面效应改变了形核率与原子扩散速度，进而影响多尺度 亚结构尺寸。引入 公式描述 不同尺度亚结构对屈服强度与冲击韧性的影响，通过线性拟合数值分析得到亚结构尺寸与强韧性的相关系数，值越大表明亚结构对材料强韧性影响越大，由此确定了板条（）与板条块（）分别是决定调质态海工钢屈服强度与韧性的有效控制单元。关键词：冷却速率；特厚板；晶粒尺寸；多尺度 亚结构；带斜率；公式文献标志码：文章编号：（），（，；，）基金项目：国家自然科学基金联合基金资助项目（）；中信 铌钢科技研发资助项目（）作者简介：胡磊（），男，硕士生；：；收稿日期：通讯作者：张莉芹（），女，博士，副教授；：，（，（），）（），（）（）（），（）、（），钢铁第 卷 ，：；随着时代的迅速进步，海洋能源的开发变得愈加重要，伴随着开发区域不断向远海拓展，开采工程装备逐渐大型化，海洋钻井平台用钢的尺寸和对强韧性的要求不断提高。特厚板（规定厚度大于）在淬火冷却过程中表层至心部散热速度不断降低，造成厚度方向上不同的组织结构与不均匀的力学性能。特厚板经过调质处理（淬火高温回火）后，厚板表面快速冷却形成均匀的板条马氏体组织，厚度处由于冷速减慢，形成以板条马氏体为主并包含部分条状贝氏体的混合组织，心部冷却速度最慢，有粒状贝氏体产生，形成板条贝氏体与粒状贝氏体的混合组织，降低钢的韧性。等对经过淬回火处理的特厚板研究，发现表层的韧性高于、（为厚度）处的，因为表层具有更细的板条尺寸与碳化物以及更高比例的大角度晶界。王小勇等针对特厚板表层 内不同位置研究，发现表层的马氏体亚结构粗大以及较高的位错密度是造成韧性不佳的主要原因。等对马氏体多级组织结构研究，发现板条是 控 制 韧 性 的 有 效 单 元。等在对低碳马氏体钢研究中，证明板条束是控制韧性的有效单元。通过试验分析，确定低碳马氏体钢中亚结构在决定强韧性过程中起到关键作用，但由于马氏体与条状贝氏体复杂的多级亚结构，造成控制强韧性的有效单元结论仍不统一。厚板截面效应使得沿厚度方向力学性能存在较大差异，通过对不同位置处微观组织表征及 多尺度亚结构尺寸统计对比，引进经典公式进行拟合，确定影响特厚板强韧性的亚结构单元，并在处利用 技术定量 （板条马氏体 条状贝氏体）两相体积分数，探究两相混合对强韧性的优化作用。综合分析不同因素对 特厚板强韧性的影响，为工业生产厚板的性能优化提供参考依据。试验材料与试验方法试验材料是经过调质（淬火高温回火）处理的 厚 海工钢，化学成分见表。生产流程为冶炼、浇铸、控制轧制，然后进行调质处理，其中淬火温度为 ，保温 后进行水淬冷却至室温；回火温度为 ，保温 后进行空冷。对 试验钢不同厚度处进行力学性能测试、显微组织观察与分析。试验钢取样方式为：将试验钢沿厚度方向分为个截面，分别用、表示表层、厚度、心部处的样品，如图所示。表试验钢化学成分（质量分数）余量本次试验取不同厚度处的冲击与拉伸试样，测试不同厚度处试样力学性能并对其组织结构进行观察。拉伸试验、冲击试验分别在常温和 下进行。、试样制备与结果分析等按照参考文献 中进行。试验结果 力学性能试验钢力学性能测试结果见表。厚板从表层到心部强度呈现下降的趋势，、的抗拉强度分别为 、，屈服强度分别为 、；伸长率分别为 、，基本保持相同。力学性能变化趋势如图所示。不同部位 低温冲击韧性存在较大差异，处冲击功最高，达到 ，而表层与心部分别为 、。试验钢厚度方向上强度差别不大，冲击韧性差距明显，处综合性能最佳。第期胡磊，等：多尺度截面组织对调质海工钢强韧性的影响（）位置划分；（）取样面。图 超厚板位置划分及取样示意 表试验钢力学性能 位置拉伸性能冲击性能抗拉强度 屈服强度 伸长率冲击功（），（）不同板厚处强度分布；（）不同板厚处冲击功和伸长率分布。图 超厚板厚度方向的力学性能变化 显微组织通过氧化法获得试验钢截面不同位置处的原始奥氏体晶粒，结果如图所示。统计表层、心部处原奥晶粒尺寸，结果如图所示。表层、心部最大粒径分别为 、，平均晶粒尺寸分别为 、。心部处原始奥氏体平均晶粒尺寸最大，粒径从表层到心部呈逐渐增大趋势。试验钢金相组织如图所示，从表层到心部由单一的板条马氏体向混合组织转变。图所示为试验钢 组织图，由图（）（）可以看出，原始奥氏体晶粒从表层到心部不断增大，与氧化法得到的结果一致，且原始奥氏体被不同取向的组织分割，同一取向的组织组成独立区域称为板条束，在图中，钢铁第 卷一个原始奥氏体中包含多个板条束；图（）和（）所示分别为试验钢表层处拥有多条不同取向的条状组织带，为典型的板条马氏体形貌，同一取向的组织相互平行，从原始奥氏体晶粒边界向另一侧延伸，而处出现两种组织形态，除条状的板条马氏体之外，还拥有较高轮廓和尖锐边界的条状贝氏体，条状贝氏体形成的边界将马氏体分割在多个独立区域，同一区域的板条马氏体依旧保持相同的取向；在淬火时心部位置冷速缓慢，出现粒状贝氏体（），随后的回火处理无法完全分解全部的粒状贝氏体，使得心部组织由少量粒状贝氏体和条状贝氏体组成，如图（）所示。（）；（）；（）。图试验钢奥氏体晶粒 （）试验钢原始奥氏体晶粒统计分布；（）原始奥氏体晶粒平均尺寸。图试验钢原始奥氏体晶粒尺寸统计 （）；（）；（）。图试验钢金相组织 通过 对试验钢、处进行组织形貌观察，从图（）（）中观察到从表层到心部均存在明显的板条结构，板条宽度依次增大。个位置均存在碳化物，且碳化物分布密度不同，处碳化第期胡磊，等：多尺度截面组织对调质海工钢强韧性的影响物密度最高，但心部的碳化物颗粒尺寸最大，在晶界与晶内处均存在碳化物，分布如图（）（）所示。（）、（）；（）、（）；（）、（）。图试验钢 组织 （）、（）；（）、（）；（）、（）。图试验钢 组织 对试验钢截面不同位置进行电子背散射衍射（）试验。由图（）、（）、（）的 图观察到奥氏体晶粒被多尺度板条束及板条块先后分割，最终板条块会在独立的分割区域内相互平行，具有几乎相同的晶体学取向（不同颜色代表不同的晶体学取向）。板条束和板条块边界为大角度晶界，而板条相互之间会形成小角度边界。图（）、（）、（）所示分别为大小角晶界分布图，小角度（）取向差的亚晶界设置为红色，大角度（）取向差晶界设置为黑色，与处大于 取向差的晶界比例低于处，统计结果如图（）和表所示。局部取向差分布图（图）能够反映微观形变分布，用于评估小范围内局部应变梯度，值越大反应局部应力越集中，通过 范围的取向差来定位应力集中区域，大于 的取向差可能是由钢铁第 卷（）试样反极图；（）试样大小角度晶界分布图；（）试样 图；（）试样反极图；（）试样大小角度晶界分布图；（）试样图；（）试样反极图；（）试样大小角度晶界分布图；（）试样图。图试验钢反极图（）、大小角度晶界分布图和 图 、小角度晶界导致的，因此不用考虑 。图（）、（）、（）所示分别为、处的分布情况，可以明显地观察到应变大多集中在亚晶界处，其中橙色区域表示高的应力集中区域，随着 值降低，区域颜色会依次转变为绿色和蓝色，区域显示蓝色时值最低。值分布统计如（）所示，不同部位值见表，表层值最高，而处最低。（）大小角度晶界分布统计；（）值分布统计。图晶界分布及 值分布统计 第期胡磊，等：多尺度截面组织对调质海工钢强韧性的影响表多尺度 板条组织表征结果统计 位置大角度晶界比例局部取向差（）（）板条束尺寸板条块尺寸板条尺寸 多尺度 板条组织统计结果见表。利用 软件分析 试验数据获得板条束与板条块的尺寸大小，板条束与板条块晶界取向差分别定为 和 ，板条尺寸通过 试验后测量获得。、处大于 的取向差晶界数量比例分别为 、。研究显示大角度晶界能够有效使裂纹在延伸过程中发生偏转，甚至抑制裂纹扩展 。分析与讨论 转变动力学由于厚板的截面效应，试验钢在淬火时表层到心部存在较大的冷速差异，显微组织由单一马氏体向混合组织发生转变。利用 软件进行了连续冷却转变模拟（），并运用 软件绘制出试验钢 曲线（图（）。曲线中显示，试验钢临界冷却速度为 ，由于表层的冷却速度大于临界冷却速度，因此表层获得全部的板条马氏体组织，而与心部低于临界冷却速度，均获得两相混合组织。图（）中，为加热时，珠光体相奥氏体转变的开始温度；为加热时铁素体完全转变为奥氏体的终了温度；、分别为过冷奥氏体开始转变为珠光体、贝氏体、马氏体时的温度；、分别为转变结束时温度。在试验钢组织转变过程中，存在马氏体与贝氏体两种不同的相变机制，马氏体无扩散形相变受形核率影响程度极大，而贝氏体相变过程受原子扩散系数与形核率共同影响。根据固态相变理论得到过冷度与形核率关系为（）（）（）式中：为形核率；为单位体积母相中的原子数；为原子振动频率；为原子扩散激活能；为玻耳兹曼常数；为热力学温度；为形核功。随着温度变化，原子扩散激活能和形核功两者共同影响形核率，关系如图（）所示。图中，为受形核功影响的形核率；为受原子扩散影响的形核率；为两者的综合。从图中可以观察到，在形核率与原子扩散速度共同影响下，总形核率曲线出现一个极大值。当过冷度（，为理论结晶温度，为实际开始结晶温度）较大时，占主导地位，随着温度的降低而增大，大小取决于原子扩散系数，随着过冷度减小而上升。试验钢截面方向冷速的不同使得各位置形核率存在差异，进而改变亚结构尺寸。厚度方向形核率与冷却速度的变化规律与图（）中红色虚线区间内值大小波动性相关，在厚度处，由于冷却速度较小，提高冷速将使形核率增大，原始奥氏体晶粒优先被贝氏体分割，后续形成的马氏体各尺度的（）连续冷却转变模拟曲线；（）形核率与温度关系示意图。图 试验钢冷却转变 钢铁第 卷亚结构在有限的空间形核长大，亚结构得到细化；但表面随着冷速的进一步增大反而造成形核率降低，原奥氏体晶粒被马氏体板条束快速分割，使得其亚结构尺寸相对较大 。性能与亚结构尺寸的 公式拟合细晶强化是同时提高强度与韧性的有效途径，通过提高晶界数量阻碍位错滑移达到增强效果，而 公式能够准确反映晶粒尺寸对材料强韧性的影响。本文引入该公式研究屈服强度及韧性与亚结构尺寸的关系，确定控制强韧性能的有效 亚结构单元。（）式中：为屈服强度；为纯铁的摩擦应力，由晶体结构与位错密度决定；为晶界对强度的影响常数；为有效粒径。屈服强度与多尺度结构关系如图 所示。图（）为屈服强度随着板条束尺寸、板条块尺寸变化的关系，其中屈服强度随板条束尺寸的细化而增大（拟合直线斜率为正数），符合 公式，利用经典式（）拟合后得到相关系数为 ，而强度随板条块尺寸细化而减小，变化关系不遵循经典公式；图（）为原始奥氏体尺寸、板条尺寸大小与屈服强度的变化关系，由图形可知，两者都符合 公式，利用经典式（）对原始奥氏体尺寸与屈服强度进行拟合，得到相关系数为 ，板条尺寸与屈服强度进行拟合得到相关系数为 。特厚板轧制过程中沿厚度方向变形不均匀，表层形变量大，再结晶充分进行，原始奥氏体尺寸相对较小，而心部位置正好相反，最终导致试验钢从表 层到 心 部 原 始 奥氏体尺 寸 不 断 增 加 的 现象。未再结晶