回火工艺对钒氮超低碳贝氏体钢组织性能的影响

来源:北京科技大学高效轧制国家工程研作者:张恒磊

为了探索V-N微合金化在低碳贝氏体钢中的应用,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、能谱仪(EDS)等实验方法,研究了不同回火温度对轧后保温与直接淬火两种工艺生产的钒氮超低碳贝氏体钢组织性能的影响。结果表明:随着回火温度的升高,屈服强度先升高后降低,直接淬火后600℃回火,材料的屈服强度为805MPa,较轧态提高200MPa,而直接淬火回火比轧后保温回火强度高65MPa;回火后伸长率始终高于轧态。600℃回火时贝氏体基体上存在大量纳米级V(C,N)析出颗粒,对屈服强度的提高起了决定性作用;直接淬火钢回火后组织稳定性更高,析出物更加细小弥散。

高强度低碳贝氏体钢是国际上20世纪80年代新发展的一类高强度高韧性多用型钢种。钢的强度不再依赖碳的含量,而是主要依靠细化晶粒强化、位错强化以及V、Nb、Ti等微合金元素的析出强化,从而使这类钢表现出高强度、高韧性,以及优良的野外焊接性能和抗氢致开裂能力。

钒在钢中有较强的析出强化和晶粒细化作用,通过钒的微合金化可以使铁素体-珠光体结构钢屈服强度达到600MPa。为了达到更高的强度水平,需要获得贝氏体或马氏体的组织。在V微合金化钢中,N起着决定性作用,特别是N能促进V的析出强化作用。随着N含量的增加,提高了V(C,N)的析出驱动力,促进了V(C,N)的析出,使原来钢中处于固溶状态的V转变为析出状态的V,发挥了V的沉淀强化作用。近年来国内外对V-N微合金钢的研究越来越多,但大多数研究集中于V(C,N)在奥氏体或者铁素体的析出强化和晶粒细化作用。由于贝氏体的转变机制的复杂性,关于V-N微合金化技术在超低碳贝氏体钢中的应用尚不多见。本文通过对不同冷却工艺生产的超低碳贝氏体进行回火,研究回火温度对组织结构与力学性能的影响。

1、实验材料及方法

实验钢经真空感应炉冶炼后浇铸,然后将铸锭加热锻造成80mm×80mm×80mm中间坯,其化学成分见表1。

表1 实验钢的化学成分(质量分数,%)

实验钢的化学成分

轧制过程在实验室二辊轧机上进行,经再结晶区和未再结晶区两阶段6道次轧制,再结晶区累计变形量50%,未再结晶区累计压下量70%。最终板厚为15mm。终轧温度控制在850℃。终轧结束后弛豫30s,然后进入加速冷却装置,按A、B两种工艺冷却至室温。具体轧制工艺见图1。

实验钢的轧制工艺

图1 实验钢的轧制工艺

回火在箱式电阻炉中进行,将轧态样品分别在500、550、600、650和700℃保温0.5h后空冷至室温。按国标GB/T228-2010横向截取拉伸试样10mm×140mm,在MTS810拉伸试验机测定屈服强度、抗拉强度和伸长率。金相试样经研磨抛光采用4%硝酸酒精溶液侵蚀后,在光学显微镜和LEO-1450型扫描电镜下对组织进行观察。TEM观察在TEM-2100透射电镜上进行,TEM试样的制备过程:先将薄片试样机械减薄至45μm,用冲样器冲成3mm的圆片,再利用双喷电解减薄仪电解减薄,双喷液为5%高氯酸酒精溶液,温度在-30℃以下,电流为30mA。

结论

1)实验钢屈服强度随回火温度的升高先增加后降低,直接淬火钢在600℃回火时屈服强度达到最大值805MPa,比回火前提高了200MPa,主要是由于回火后贝氏体铁素体基体上存在大量细小弥散析出相,对屈服强度的增加起决定性;

2)轧后保温回火与直接淬火回火过程中屈服强度与伸长率的变化趋势相似,但当回火温度为600℃时屈服强度后者比前者高65MPa,回火过程中伸长率前者始终高于后者;

3)轧后保温回火屈服强度比直接淬火回火低的原因是保温后再回火形核位置的减少,保温时产生细小析出物的长大以及其回火组织稳定性较差。