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      低合金高強(qiáng)度鋼的綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)碳錳鋼，近年來已成為鋼鐵領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在實(shí)際生產(chǎn)中，690MPa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)。對(duì)各類金屬材料 CCT曲線研究已有大量的報(bào)道，如：劉瑩等研究了45鋼的熱模擬試驗(yàn)；周光理等分析了42CrMo合金鋼棒材的硬度及顯微組織；王瑞敏等研究了R350HT鋼軌鋼的CCT曲線；李凱等分析了42CrMo鋼的CCT曲線；陳明毅等研究了一種高強(qiáng)無碳貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼的過冷奧氏體動(dòng)態(tài)CCT曲線；葛琛等分析了900MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變及組織調(diào)控；周文浩對(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；李敬等研究了厚規(guī)格690高強(qiáng)鋼板的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為。研究人員利用熱模擬試驗(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。

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1200℃，保溫3min，接著以5℃/s的冷卻速率將試樣冷卻至910℃,保溫30s；然后以6s-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。在試驗(yàn)過程中，檢測(cè)并記錄試驗(yàn)過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)。在加熱過程中，用上述方法測(cè)得試樣組織向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ac1為780℃，奧氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度Ac3為885℃。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。使用德國蔡司光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織，結(jié)合德國全自動(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。

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，珠光體含量越來越少，貝氏體含量越來越多；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。

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171~250HV；當(dāng)冷卻速率為3℃/s時(shí)，維氏硬度為290HV，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378HV；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396HV。

2.3 奧氏體化過程CCT曲線

      將試樣的溫度以10℃/s的升溫速率從室溫加熱到1200℃，在此過程中，試樣在經(jīng)過Ac1點(diǎn)(780℃)并出現(xiàn)相變平臺(tái)后開始奧氏體化，隨后達(dá)到Ac3點(diǎn)(885℃)，之后進(jìn)入完全奧氏體化狀態(tài)，至此加熱過程的相變點(diǎn)結(jié)束，試樣的奧氏體化過程曲線如圖4所示。

      試樣經(jīng)過降溫以及形變后，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開始，全部為馬氏體相變,相變開始溫度約為450℃，結(jié)束溫度約為307℃。

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。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，開始發(fā)生馬氏體低溫轉(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378HV。

     (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。

作者：鹿超超，孫雪嬌，方金林

單位：山東鋼鐵股份有限公司

來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2024年第4期