低合金高強(qiáng)度鋼的綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)碳錳鋼,近年來(lái)已成為鋼鐵領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在實(shí)際生產(chǎn)中,690 MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼的工藝控制難度較大,特別較難控制其低溫韌性的穩(wěn)定性,影響該性能最重要的因素是材料的顯微組織。為了控制成本,根據(jù)該鋼種的規(guī)格、客戶要求等采取熱機(jī)械控制工藝(TMCP)、在線淬火＋回火、離線淬火＋回火等不同工藝,對(duì)其連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)規(guī)律進(jìn)行研究,以確保產(chǎn)品性能穩(wěn)定,CCT曲線是進(jìn)行該研究的重要依據(jù)[1]。對(duì)各類(lèi)金屬材料CCT曲線研究已有大量的報(bào)道,如：劉瑩等[2]研究了45鋼的熱模擬試驗(yàn)；周光理等[3]分析了42CrMo合金鋼棒材的硬度及顯微組織；王瑞敏等[4]研究了R350HT鋼軌鋼的CCT曲線；李凱等[5]分析了42CrMo鋼的CCT曲線；陳明毅等[6]研究了一種高強(qiáng)無(wú)碳貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼的過(guò)冷奧氏體動(dòng)態(tài)CCT曲線；葛琛等[7]分析了900 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變及組織調(diào)控；周文浩[8]對(duì)Q690鋼的3種奧氏體狀態(tài)下的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為進(jìn)行了比較研究；李敬等[9]研究了厚規(guī)格690高強(qiáng)鋼板的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為。筆者利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)、維氏硬度計(jì)、光學(xué)顯微鏡等對(duì)Q690D高強(qiáng)度鋼的動(dòng)態(tài)CCT曲線進(jìn)行了研究[10－11]。 

1.   試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料為Q690D鋼板,其化學(xué)成分如表1所示。按照CCT要求制備試樣,試樣結(jié)構(gòu)如圖1所示。在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)CCT試驗(yàn)。以10 ℃/s的升溫速率將試樣加熱到1 200 ℃,保溫3 min,接著以5 ℃/s的冷卻速率將試樣冷卻至910 ℃,保溫30 s；然后以6 s－1的應(yīng)變速率進(jìn)行20%的單道次壓縮,最后分別在0.01,0.02,0.05,0.1,0.25,0.5,1,2,5,8,10,15,20,30,40 ℃/s等冷卻速率下將試樣冷卻到室溫[12－14]。在試驗(yàn)過(guò)程中,檢測(cè)并記錄試驗(yàn)過(guò)程中試樣的直徑變化。試驗(yàn)結(jié)束后,用Origin軟件和切線法測(cè)定其相變點(diǎn)。在加熱過(guò)程中,用上述方法測(cè)得試樣組織向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度Ac1為780 ℃,奧氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度Ac3為885 ℃[15]。對(duì)熱模擬試驗(yàn)后不同冷卻速率下的試樣進(jìn)行機(jī)械加工和鑲嵌,對(duì)試樣研磨拋光后,使用 4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸乙醇溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕[16－17]。使用德國(guó)蔡司光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織,結(jié)合德國(guó)全自動(dòng)維氏硬度計(jì)測(cè)量硬度,繪制出材料的動(dòng)態(tài)CCT曲線。 

圖  1  試驗(yàn)鋼的CCT試樣結(jié)構(gòu)示意

2.   試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1   不同冷卻速率下試樣的顯微組織

不同冷卻速率下試樣的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知：當(dāng)冷卻速率為0.01 ℃/s時(shí),組織基本為典型的珠光體＋鐵素體,但是仍有小部分區(qū)域存在珠光體和貝氏體的混合組織；隨著冷卻速率的增大,珠光體含量越來(lái)越少,貝氏體含量越來(lái)越多；當(dāng)冷卻速率為0.1 ℃/s時(shí),僅存在少量珠光體；當(dāng)冷卻速率達(dá)到0.5 ℃/s時(shí),全部為貝氏體；當(dāng)冷卻速率為3 ℃/s時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)少量的馬氏體,隨著冷卻速率的進(jìn)一步增大,馬氏體含量逐漸增多；當(dāng)冷卻速率達(dá)到8 ℃/s時(shí),貝氏體幾乎消失,整個(gè)基體組織基本為馬氏體；當(dāng)冷卻速率增大到10 ℃/s以上時(shí),組織全部為馬氏體。 

圖  2  不同冷卻速率下試樣的顯微組織形貌

2.2   不同冷卻速率下試樣的維氏硬度

圖3為不同冷卻速率下試樣的維氏硬度曲線。由圖3可知：當(dāng)冷卻速率小于0.1 ℃/s時(shí),組織以珠光體和鐵素體為主,試樣的維氏硬度較低,為171～250 HV；當(dāng)冷卻速率為3 ℃/s時(shí),維氏硬度為290 HV,組織基本為貝氏體；當(dāng)冷卻速率為8 ℃/s時(shí),馬氏體使試樣的維氏硬度升高至378 HV；當(dāng)冷卻速率大于10 ℃/s時(shí),組織全部為馬氏體,維氏硬度均大于396 HV。 

圖  3  不同冷卻速率下試樣的維氏硬度曲線

2.3   奧氏體化過(guò)程CCT曲線

將試樣的溫度以10 ℃/s的升溫速率從室溫加熱到1 200 ℃,在此過(guò)程中,試樣在經(jīng)過(guò)Ac1點(diǎn)(780 ℃)并出現(xiàn)相變平臺(tái)后開(kāi)始奧氏體化,隨后達(dá)到Ac3點(diǎn)(885 ℃),之后進(jìn)入完全奧氏體化狀態(tài),至此加熱過(guò)程的相變點(diǎn)結(jié)束,試樣的奧氏體化過(guò)程曲線如圖4所示。 

圖  4  試樣的奧氏體化過(guò)程曲線

試樣經(jīng)過(guò)降溫以及形變后,再對(duì)其冷卻速率進(jìn)行控制,得到不同冷卻速率下的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。圖5為試樣在0.01～20 ℃/s冷卻速率下的熱膨脹曲線。由圖5可知：當(dāng)冷卻速率小于0.1 ℃/s時(shí),在出現(xiàn)明顯高溫相變拐點(diǎn)前,曲線出現(xiàn)彎曲部分,用切線法取點(diǎn),對(duì)顯微組織進(jìn)行綜合判斷,該相變溫度應(yīng)為先共析鐵素體的相變開(kāi)始點(diǎn)；當(dāng)冷卻速率為0.01,0.02 ℃/s時(shí),珠光體、鐵素體相變開(kāi)始點(diǎn)基本為770 ℃,隨著冷卻速率的逐步增大,相變點(diǎn)呈下降趨勢(shì),當(dāng)冷卻速率達(dá)到0.1 ℃/s時(shí),相變點(diǎn)下降到711 ℃。由于Mn、Cr元素含量較高,該鋼種的淬透性升高,因此該冷卻階段仍然存在中溫相變,即貝氏體相變。由冷卻速率為0.01,0.02 ℃/s時(shí)的曲線可知,高溫相變區(qū)的結(jié)束點(diǎn)與中溫相變區(qū)的開(kāi)始點(diǎn)相對(duì)明顯分離,而冷卻速率為0.05,0.1 ℃/s時(shí),上述兩個(gè)相變點(diǎn)分界線已經(jīng)不明顯,很難區(qū)分。隨著冷卻速率的增大,貝氏體相變結(jié)束點(diǎn)逐步降低,由0.01 ℃/s時(shí)的430 ℃下降到0.1 ℃/s時(shí)的380 ℃。當(dāng)冷卻速率增大到0.5 ℃/s時(shí),高溫相變拐點(diǎn)消失,全部為中溫相變,即全是貝氏體相變,此時(shí)貝氏體相變開(kāi)始溫度為615 ℃,終止溫度為415 ℃,相對(duì)較高。當(dāng)冷卻速率增大到3 ℃/s時(shí),貝氏體的開(kāi)始相變溫度下降到588 ℃,結(jié)束溫度下降到390 ℃,在該冷卻速率下,根據(jù)得到的顯微組織綜合判斷,該相變終了溫度應(yīng)為Mf點(diǎn)。從冷卻速率為8 ℃/s開(kāi)始,全部為馬氏體相變,相變開(kāi)始溫度約為450 ℃,結(jié)束溫度約為307 ℃。 

圖  5  試驗(yàn)鋼在不同冷卻速率下的熱膨脹曲線

2.4   動(dòng)態(tài)CCT曲線的繪制

結(jié)合顯微組織以及不同冷卻速率下的熱膨脹曲線,最終得出Q690D鋼的動(dòng)態(tài)CCT曲線,如圖6所示[18]。由圖6可知：冷卻速率低于0.1 ℃/s時(shí),發(fā)生了先共析鐵素體析出的相變現(xiàn)象,但是即使冷卻速率低到0.01 ℃/s,該相變過(guò)程也是高溫相變與中溫相變的復(fù)合,包含了先共析鐵素體相變、珠光體相變以及貝氏體相變3個(gè)過(guò)程,得到的組織為鐵素體、珠光體以及貝氏體；同時(shí),在冷卻速率為0.02～0.25 ℃/s時(shí),珠光體相變與貝氏體相變?cè)谂蛎浨€中沒(méi)有明顯界線；在冷卻速率為0.25～2 ℃/s時(shí),發(fā)生貝氏體中溫轉(zhuǎn)變,得到的是單一的貝氏體；在冷卻速率為2 ℃/s時(shí),隨著冷卻速率的增大,開(kāi)始發(fā)生貝氏體中溫轉(zhuǎn)變與馬氏體低溫轉(zhuǎn)變的復(fù)合相變,此時(shí)得到的顯微組織為貝氏體與馬氏體的混合組織；當(dāng)冷卻速率達(dá)到8 ℃/s時(shí),該現(xiàn)象消失,開(kāi)始發(fā)生 

圖  6  Q690D鋼的動(dòng)態(tài)CCT曲線

馬氏體低溫轉(zhuǎn)變的單一現(xiàn)象,材料組織也只有單一的馬氏體。 

3.   結(jié)論

(1) 在冷卻速率為0.01～ 0.1 ℃/s時(shí),組織基本為珠光體、鐵素體和貝氏體,其硬度較低。 

(2) 當(dāng)冷卻速率為0.5 ℃/s時(shí),珠光體消失,全部為貝氏體。 

(3) 當(dāng)冷卻速率為 3 ℃/s 時(shí),組織中出現(xiàn)馬氏體,當(dāng)冷卻速率增大至8 ℃/s時(shí),貝氏體幾乎全部消失,組織基本為馬氏體,維氏硬度提高到378 HV。 

(4) 當(dāng)冷卻速率大于10 ℃/s時(shí),組織為單一馬氏體,馬氏體臨界轉(zhuǎn)變冷卻速率為10 ℃/s。

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