羅國華 范植金 朱玉秀 朱叢茂

(武鋼研究院 湖北 武漢:430080)

低碳低硅鋼中Si含量不大于0.1wt%,低硅有利于降低鋼的應變硬化率,增強鋼的冷加工性能。隨著在低溫地區(qū)的風電及建筑行業(yè)的發(fā)展,抗拉強度在500MPa以下的低碳低硅鋼被廣泛用于制造低強度緊固件,此類鋼要求有優(yōu)良的低溫韌性,并具備良好冷加工性能。本文研究軋后噴水快冷至返紅溫度對低碳低硅鋼的組織與性能的影響,為此類鋼的生產及應用提供參考依據(jù)。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗鋼的化學成分見表1,由50公斤真空感應爐冶煉后澆鑄成鋼錠,在800軋機上軋制成厚度為14mm的試板。試驗鋼加熱溫度1200℃,在一定溫度下完成開軋與終軋。軋后采用噴水快冷工藝,在冷卻時間一定的情形下,返紅溫度分別控制在550℃、600℃、650℃。

表1 試驗鋼化學成分(wt%)

1.2 試驗方法

采用Φ10mm×220mm縱向拉伸試樣,在萬能拉伸試驗機上進行室溫下的拉伸試驗。采用10mm ×10mm×55mm縱向夏氏 V型缺口試樣,在ZBC2452型沖擊試驗機上進行室溫、0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃系列溫度沖擊試驗。采用光學金相顯微鏡觀察試驗鋼的組織結構特征,利用Quanta400型掃描電鏡(SEM)觀察試驗鋼的高倍組織,利用J EM-2100F型透射電鏡(TEM)觀察分析精細組織結構。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能測試分析

對軋后快冷至不同返紅溫度的試驗鋼取樣并進行力學性能測試,試驗結果見表2及圖1。從表2拉伸試驗結果來看,返紅溫度在600℃～650℃,試驗鋼的拉伸性能結果沒有顯著差別,返紅溫度為550℃時,試驗鋼的強度有較大提高,抗拉強度達到520MPa,延伸率有所降低。從圖1沖擊試驗結果來看,采用軋后快冷不同返紅溫度,試驗鋼的低溫沖擊韌性差別非常大。返紅溫度為600℃時,試驗鋼沖擊韌性最好,-60℃以下進行沖擊試驗,仍然保持很高的沖擊韌性,返紅溫度為550℃、650℃時,試驗鋼低溫沖擊功隨測試溫度的降低顯著下降,韌脆轉變溫度顯著升高。

表2 試驗鋼拉伸性能測試結果

2.2 金相組織及斷口特征分析

對軋后快冷至不同返紅溫度的試驗鋼取金相樣,并在光學顯微鏡下觀察組織。圖2(a)、(b)所示,返紅溫度控制在600℃以下,試驗鋼組織為鐵素體+貝氏體+珠光體;返紅溫度650℃時,組織為鐵素體+珠光體+沿晶碳化物,如圖2(c)。

不同返紅溫度對試驗鋼低溫沖擊性能的影響

用掃描電鏡作進一步觀察,返紅溫度在600℃以下,鋼中形成部分貝氏體,且返紅溫度越低貝氏體體積越大,數(shù)量越多,如圖3(a,b)。返紅溫度達到650℃時,沿鐵素體晶界有大量聚集、粗大的碳化物析出,如圖3(c)。

返紅溫度控制在600℃以下時,-60℃低溫沖擊斷口均呈現(xiàn)韌窩形貌,返紅溫度550℃時,斷口韌窩沒有被拉長,呈現(xiàn)等軸狀(圖4a);而返紅溫度600℃時,斷口韌窩被明顯拉長(圖4b)。返紅溫度在650℃時,低溫斷口形貌為典型河流花樣,屬于脆性斷口(圖4c)。

3 討論

采用軋后快速冷卻工藝,加大了組織形核的過冷度,增大組織的形核速率,抑制組織長大速率,可以細化鋼的組織[1],細化晶?？梢宰柚沽鸭y形成及擴展,從而提高鋼的韌性。如圖2所示,試驗鋼組織晶粒度達10級,組織較為細小,從而保證鋼的低溫韌性。

由于返紅溫度以及冷卻速度不同,在快速冷卻后的連續(xù)冷卻過程中,鋼中碳擴散速率不同,發(fā)生較為顯著不同的組織轉變?？炖渲?00℃以下,試驗鋼組織發(fā)生了部分貝氏體轉變,少量塑性好的貝氏體通過塑性變形有效緩解裂紋前端的三向應力集中,從而使韌性斷裂機制增強[2,3],在晶粒大小相同情形下,鐵素體+貝氏體+珠光體多相復合組織是大大提高試驗鋼韌性的關鍵因素。

圖2 返紅溫度對試驗鋼金相組織的影響:(a)550℃;(b)600℃;(c)650℃

圖3 返紅溫度對試驗鋼組織的影響:(a)550℃;(b)600℃;(c)650℃

圖4 返紅溫度對試驗鋼-60℃沖擊斷口形貌的影響:(a)550℃;(b)600℃;(c)650℃

試驗鋼快冷后,返紅溫度為550℃,冷速加大,在軋制過程中形成的高密度位錯在鐵素體基體里得到更多保留(圖5a),在鐵素體基體中固溶的碳含量增加,強化了鐵素體組織,位錯運動阻力增大,并容易造成裂紋前端應力集中,使得鋼的強度有所上升但塑性降低,低溫沖擊韌性有所下降。返紅溫度為600℃時,鐵素體位錯密度降低,鋼的強度也有所下降,碳化物分散析出沒有粗化(圖5b),對低溫韌性十分有利。返紅溫度在650℃以上,鋼中不會出現(xiàn)貝氏體,溫度越高,從奧氏體晶界析出碳化物越多,碳在晶界偏聚越嚴重,使碳化物越粗大且形狀越不規(guī)則(圖5c),這種粗大碳化物是導致低溫沖擊韌性顯著下降的主要原因。

圖5 試驗鋼的精細組織結構及碳化物形貌:(a)550℃;(b)600℃;(c)650℃

4 結論

(1)軋后噴水快冷返紅溫度控制在600℃以下,低碳低硅鋼組織發(fā)生部分貝氏體轉變,形成了鐵素體+貝氏體+珠光體多相復合組織,這種組織是實現(xiàn)低碳低硅鋼高韌性的關鍵因素。

(2)返紅溫度為600℃時,試驗鋼的低溫沖擊韌性最好;返紅溫度為550℃時,鋼的強度有所上升且塑性降低,低溫沖擊韌性略下降;返紅溫度控制在650℃以上,粗大碳化物從奧氏體晶界析出,導致低溫沖擊韌性顯著降低。

[1] 小指軍夫.控制軋制控制冷卻-改善材質的軋制技術發(fā)展[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002:20-34.

[2] 張樹松.鋼的強韌化機理與技術途徑[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1995:179-194.

[3] 肖紀美.金屬的韌性與韌化[M].上海:上海科學技術出版社, 1982:395-404.