對(duì)艦船用低碳高強(qiáng)鋼進(jìn)行900℃奧氏體化淬火+不同溫度(770，790，810，830℃)臨界區(qū)退火+500℃回火處理，研究了臨界區(qū)退火溫度對(duì)試驗(yàn)鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨著臨界區(qū)退火溫度的升高，退火后形成的板條馬氏體和貝氏體發(fā)生回復(fù)，趨于合并而呈塊狀特征；在770℃退火條件下，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度較低，-20℃沖擊功較高，沖擊斷裂模式為韌性斷裂；當(dāng)退火溫度升高到790℃及以上時(shí)，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度增大，沖擊功下降，斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂，并且沖擊功隨溫度升高進(jìn)一步下降，拉伸性能則變化不大。
1、試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料為艦船用低碳高強(qiáng)鋼，其實(shí)測(cè)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.01C，0.22Si，1.95Mn，1.90Cu，0.45Cr，0.55Mo，2.20Ni，余Fe。使用50kg真空感應(yīng)爐冶煉試驗(yàn)鋼并澆鑄成鑄坯，鑄坯尺寸為150mm×150mm×300mm。使用馬弗爐將鑄坯在氬氣保護(hù)下加熱至1250℃保溫3h，使鑄坯成分均勻化。使用液壓機(jī)將鑄坯鍛造成截面尺寸為40mm×40mm的方坯。使用二輥軋機(jī)將方坯通過(guò)5道次熱軋成厚度為12mm的鋼板，壓下量分別為 50.0，37.5，28.1，21.1，15.8，12.0mm，每道次壓下率為25%，開(kāi)軋溫度為1150℃，終軋溫度為800℃。熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼板的顯微組織為多邊形鐵素體，如圖1所示。
使用熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)得試驗(yàn)鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ac1、奧氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Ac3、貝氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Bs、貝氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Bf分別為763，843，602，438℃。根據(jù)上述相變溫度確定熱處理溫度，在馬弗爐中對(duì)試驗(yàn)鋼板進(jìn)行熱處理，鋼板試樣尺寸為160mm×50mm×12mm。首先將試樣加熱至900℃進(jìn)行完全奧氏體化處理，保溫時(shí)間為30min，水淬至室溫；然后將試樣分別升溫至770，790，810，830℃進(jìn)行臨界區(qū)退火處理，保溫時(shí)間為20min，水淬至室溫；最后將試樣加熱至500℃進(jìn)行回火處理，保溫時(shí)間為60min。
分別在臨界區(qū)退火和熱處理后的試樣上取樣，經(jīng)機(jī)械研磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕約20s后，使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織。在熱處理后的試驗(yàn)鋼板上取尺寸為55mm×10mm×10mm的標(biāo)準(zhǔn)V型缺口沖擊試樣，根據(jù) GB/T 229—2020，使用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-20℃。使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察沖擊斷口形貌。在熱處理后的試驗(yàn)鋼板上取拉伸試樣，拉伸試樣尺寸為90mm，平行段長(zhǎng)度為34mm，夾持段長(zhǎng)度為25mm，平行段與夾持段之間為平滑過(guò)渡弧連接，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2.4mm·min-1。
2、試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 對(duì)顯微組織的影響
由文獻(xiàn)可知，完全奧氏體化并淬火之后，試驗(yàn)鋼的顯微組織為馬氏體(M)和貝氏體(B)，同時(shí)也存在先共析鐵素體組織。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)臨界區(qū)退火溫度為770℃時(shí)，退火溫度略高于奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度，形成的奧氏體數(shù)量較少，經(jīng)后續(xù)淬火后，少量奧氏體轉(zhuǎn)變成M/A島，分布在板條馬氏體和貝氏體界面處，在前一道完全奧氏體化并淬火后形成的鐵素體未發(fā)生改變。當(dāng)臨界區(qū)退火溫度升高至790℃時(shí)，奧氏體呈球狀，其體積分?jǐn)?shù)增大，板條馬氏體和貝氏體數(shù)量顯著減少，完全奧氏體化并淬火后形成的鐵素體依舊未發(fā)生改變。在相對(duì)較高的臨界區(qū)退火溫度下,較大的長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力和非K-S界面遷移率使得球狀?yuàn)W氏體以無(wú)再配分局部平衡(NPLE)模式長(zhǎng)大，更容易促進(jìn)球狀?yuàn)W氏體的生成；同時(shí)，在臨界區(qū)保溫過(guò)程中，完全奧氏體化并淬火后形成的馬氏體和貝氏體會(huì)脫碳形成鐵素體。當(dāng)臨界區(qū)退火溫度繼續(xù)升高至810，830℃時(shí)，臨界區(qū)退火溫度接近完全奧氏體化溫度，奧氏體呈球狀，其體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大，板條狀馬氏體和貝氏體較790℃臨界區(qū)退火下更加細(xì)小，數(shù)量更少。
由圖3可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)淬火+不同溫度臨界區(qū)退火+500℃回火后，試驗(yàn)鋼中馬氏體和貝氏體發(fā)生回復(fù)，轉(zhuǎn)變成回火馬氏體(TM)和貝氏體，其顯微組織由回火馬氏體、貝氏體、少量M/A島和鐵素體組成。隨著臨界區(qū)退火溫度的升高，試驗(yàn)鋼中的板條狀組織逐漸減少，經(jīng)過(guò)回復(fù)的板條馬氏體和貝氏體，組織趨于合并而呈塊狀特征，兩者的界面變得模糊甚至消失。
2.2 對(duì)力學(xué)性能的影響
由圖4和表1可見(jiàn)，當(dāng)臨界區(qū)退火溫度 為770℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低。這是因?yàn)楫?dāng)試驗(yàn)鋼在770℃臨界區(qū)保溫時(shí)，逆相變奧氏體通過(guò)配分富集合金元素，同時(shí)板條狀?yuàn)W氏體尺寸較小，在后續(xù)回火處理后仍有部分奧氏體殘余，因此斷后伸長(zhǎng)率較高；但臨界區(qū)退火溫度進(jìn)一步提高后，逆相變奧氏體體積分?jǐn)?shù)升高，導(dǎo)致奧氏體中的合金元素含量相對(duì)降低，經(jīng)后續(xù)回火處理后殘余奧氏體含量降低，因此斷后伸長(zhǎng)率減小，強(qiáng)度增大。當(dāng)臨界區(qū)退火溫度為790，810，830℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率相近。這主要與試驗(yàn)鋼在拉伸變形中產(chǎn)生的相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)效應(yīng)有關(guān)。結(jié)合圖3分析可知，當(dāng)臨界區(qū)退火溫度為790，810，830℃時(shí)，試驗(yàn)鋼中的板條狀組織顯著減少，塊狀組織逐漸增多，此時(shí)殘余奧氏體也呈塊狀特征。片層狀殘余奧氏體的穩(wěn)定性較高，在拉伸變形過(guò)程中不易發(fā)生馬氏體相變；塊狀殘余奧氏體穩(wěn)定性較差，在拉伸變形過(guò)程中容易轉(zhuǎn)變成馬氏體而發(fā)生TRIP效應(yīng)，從而提高鋼的強(qiáng)度和塑性。因此，雖然較高溫度退火后的殘余奧氏體含量較低，但由于TRIP效應(yīng)的存在，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率變化不大。
表1 淬火+不同臨界區(qū)溫度退火+回火后試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能
隨著臨界區(qū)退火溫度的升高，試驗(yàn)鋼在-20℃下的沖擊功減小。這是因?yàn)殡S著臨界區(qū)退火溫度的升高，殘余奧氏體逐漸呈塊狀特征，而塊狀殘余奧氏體的穩(wěn)定性差，在較低的能量和塑性變形量下即可發(fā)生馬氏體相變，這不利于阻礙裂紋擴(kuò)展，因此沖擊功減小。
由圖5可見(jiàn)，當(dāng)臨界區(qū)退火溫度為770℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的沖擊斷口纖維區(qū)含有大量韌窩和少量撕裂棱，表明試驗(yàn)鋼具有較好的變形能力，對(duì)裂紋擴(kuò)展有較好的阻礙能力。當(dāng)臨界區(qū)退火溫度升高到790℃及以上時(shí)，沖擊斷口中的韌窩數(shù)量減少，同時(shí)出現(xiàn)了解理面和撕裂棱，并伴隨有裂紋的產(chǎn)生，表現(xiàn)出準(zhǔn)解理斷裂形貌特征。當(dāng)臨界區(qū)退火溫度達(dá)到830℃時(shí)，沖擊斷口含有大量的解理平面和撕裂棱，并伴隨大量的裂紋。板條狀殘余奧氏體在沖擊變形過(guò)程中可以緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中，對(duì)斷裂過(guò)程中裂紋擴(kuò)展起到阻礙作用。在770℃條件下退火時(shí)，試驗(yàn)鋼中的殘余奧氏體主要呈板條狀，其穩(wěn)定性較高；當(dāng)退火溫度升高到790℃及以上時(shí)，殘余奧氏體逐漸轉(zhuǎn)變成塊狀，穩(wěn)定性較差，在較低的能量和變形下即可發(fā)生馬氏體相變，對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙能力下降，斷裂模式為準(zhǔn)解理斷裂。
3、結(jié) 論
(1)經(jīng)淬火+臨界區(qū)退火后，試驗(yàn)鋼組織主要由M/A島、板條馬氏體、貝氏體和鐵素體組成，板條馬氏體和貝氏體數(shù)量隨臨界區(qū)退火溫度升高而減少，再經(jīng)回火處理后，馬氏體和貝氏體發(fā)生回復(fù)，經(jīng)過(guò)回復(fù)的板條馬氏體和貝氏體趨于合并而呈塊狀特征，板條狀組織進(jìn)一步減少。
(2)經(jīng)淬火+臨界區(qū)退火+回火處理后，當(dāng)臨界區(qū)退火溫度由770℃升高到790℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大，斷后伸長(zhǎng)率減?。划?dāng)臨界區(qū)退火溫度為790，810，830℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率相近。
(3)隨著臨界區(qū)退火溫度的升高，試驗(yàn)鋼在-20℃下的沖擊功減小，當(dāng)退火溫度為770℃時(shí)沖擊斷裂模式為韌性斷裂，當(dāng)退火溫度為790，810，830℃時(shí)則為準(zhǔn)解理斷裂。
引用本文：
李子赟，董欣欣，徐海衛(wèi)，等.臨界區(qū)退火溫度對(duì)艦船用低碳高強(qiáng)鋼組織和性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2023，47（6）：48-52，85.
Li Z Y, Dong X X, Xu H W, et al.Effect of Intercritical Annealing Temperature on Structure and Properties of Low-Carbon High-Strength Steel for Shipboard, 2023, 47（6）: 48-52，85.
DOI:10.11973/jxgccl202306009
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