吳金躍 趙賢平 竇玉香 楊柳 陳新慈 王志國(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

回火溫度對(duì)低碳貝氏體鋼AH80DB沖擊韌性的影響*

吳金躍 趙賢平 竇玉香 楊柳 陳新慈 王志國(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

研究了低碳貝氏體鋼AH80DB不同回火溫度對(duì)沖擊韌性的影響。研究結(jié)果表明，在250℃左右M/A島開始分解，300℃～350℃分解數(shù)量多，尺寸大，且沿晶界分布，發(fā)生了回火脆性，導(dǎo)致沖擊韌性差。隨著回火溫度的升高，M/A島的分解在500～550℃基本完成，沖擊韌性逐漸升高。

回火溫度 AH80DB 沖擊韌性 M/A島 回火脆性

0 前言

低碳貝氏體鋼AH80DB在工程機(jī)械、橋梁、艦船、汽車及海洋設(shè)施等行業(yè)需求較大，是世紀(jì)更新?lián)Q代的新鋼種之一。該鋼的中溫轉(zhuǎn)變組織通常是多邊形鐵素體、粒狀貝氏體和板條貝氏體的一種或幾種復(fù)合組織。適宜的回火工藝可使低碳貝氏體鋼在保持高抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，顯著提高屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，并使沖擊韌性和疲勞性能有所增加，而不適宜的回火工藝會(huì)引起脆性，嚴(yán)重?fù)p害強(qiáng)韌性。筆者研究了回火溫度對(duì)低碳貝氏體鋼AH80DB沖擊韌性的影響，通過不同溫度系列的回火試驗(yàn)，研究回火前后沖擊韌性的變化規(guī)律，探索得到最佳的回火溫度區(qū)間，為生產(chǎn)提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料取自安鋼爐卷生產(chǎn)的25mm厚度低碳貝氏體AH80DB鋼板。試驗(yàn)共取樣四組，第一組試樣軋態(tài)的沖擊性能良好，第二組試樣軋態(tài)的沖擊性能一般，其余兩組試樣軋態(tài)的沖擊性能較差，通過不同溫度的回火試驗(yàn)研究回火溫度對(duì)鋼板沖擊性能的影響。試驗(yàn)鋼板的化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)鋼板的化學(xué)成分wt%

回火試驗(yàn)在箱式馬弗爐中進(jìn)行，將四組試樣分別在250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃保溫1.5 h，然后空冷至室溫。將回火處理試樣和原始熱軋?jiān)嚇蛹庸こ蓸?biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，在AHC－30SA型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試樣經(jīng)磨制、機(jī)械拋光后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，用ZEISS Observert A1.m金相顯微鏡觀察微觀組織形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同回火溫度下的沖擊性能

四組試樣原始熱軋狀態(tài)和不同回火溫度下的縱向沖擊性能如圖1所示。

由圖1可以看出，不同熱軋狀態(tài)下的鋼板經(jīng)過250℃～550℃系列回火，沖擊性能呈現(xiàn)基本相同的變化規(guī)律，即較低溫度回火時(shí)沖擊功明顯增大，隨著回火溫度的升高，在250℃以后沖擊功急劇下降，在300℃～350℃降到最小值，在隨后更高的溫度區(qū)間回火時(shí)，沖擊功逐漸上升，而后小幅下降。

圖1 試樣軋態(tài)和不同回火溫度下的沖擊性能

2.2 不同回火溫度下的微觀組織

第一組試樣軋態(tài)和不同回火溫度下中心處的金相組織照片如圖2所示。

圖2 試樣軋態(tài)和不同回火溫度下的微觀組織形貌

由圖2可以看出，熱軋狀態(tài)下試樣心部組織主要為板條貝氏體和粒狀貝氏體，可見沿板條間均勻分布的細(xì)小的M/A島。250℃回火時(shí)島狀相的數(shù)量增多，尺寸長大，300℃回火時(shí)不但島狀相數(shù)量急劇增加，尺寸明顯長大，而且許多島狀相相互連接成片，沿晶界分布，350℃回火時(shí)組織中板條貝氏體消失，以粒狀貝氏體為主，其上的島狀相數(shù)量明顯減少，晶內(nèi)的島狀相變得均勻細(xì)小，但大多數(shù)沿晶界分布的島狀相尺寸仍然較大，400℃～550℃回火時(shí)，島狀相數(shù)量逐漸減少，尺寸也逐漸變小，600℃回火時(shí)組織中形成了較多的多邊形鐵素體，晶粒尺寸明顯變大，而島狀相變得細(xì)小，分布趨于彌散。

3 分析討論

鋼鐵材料在一定的溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，其沖擊韌性會(huì)急劇下降，這種現(xiàn)象稱為鋼的回火脆性。在250℃～400℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的回火脆性叫第一類回火脆性，也叫低溫回火脆性［1］。以粒狀貝氏體或以準(zhǔn)貝氏體為主的復(fù)相組織，在某一定溫度范圍內(nèi)回火會(huì)引起回火貝氏體脆性［2］。由圖1可見試驗(yàn)鋼在300℃～350℃溫度區(qū)間內(nèi)可能出現(xiàn)了低溫回火脆性。

許多研究表明［3－4］低碳貝氏體鋼回火脆性的出現(xiàn)與殘余奧氏體的分解密切相關(guān)。在高強(qiáng)度鋼中殘留奧氏體的穩(wěn)定性對(duì)韌性的影響很大。穩(wěn)定的殘余奧氏體改善鋼的斷裂韌性和沖擊韌性，反之，則會(huì)惡化斷裂韌性和沖擊韌性。通常殘余奧氏體的穩(wěn)定性是熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性共同作用的結(jié)果，熱穩(wěn)定性是指殘余奧氏體在不同回火溫度下發(fā)生分解的程度，機(jī)械穩(wěn)定性指在載荷作用下發(fā)生形變誘發(fā)相變的程度［5］。低碳貝氏體鋼中殘余奧氏體以兩種形式存在，一種是以薄膜狀存在于貝氏體鐵素體板條內(nèi)和板條間，一種是以塊狀存在于M/A島中。在較低溫度回火時(shí)，貝氏體鐵素體條片間和亞單元間的殘余奧氏體處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)鋼的韌性起到了有利作用，所以沖擊韌性會(huì)增加。從圖2(b)中可以看出250℃回火時(shí)島狀相已發(fā)生了分解，但其沖擊韌性仍顯著提高，這可能是因?yàn)?盡管此時(shí)殘余奧氏體熱穩(wěn)定性降低，發(fā)生少量分解，但是這些島狀相屬富碳相，隨回火溫度的升高，會(huì)形成一定數(shù)量的碳釘扎位錯(cuò)，提高馬氏體相變的切變阻力，從而使未分解的殘余奧氏體機(jī)械穩(wěn)定性提高，所以最終仍可使韌性有所改善［6］。隨著回火溫度的升高，一方面殘余奧氏體的熱穩(wěn)定性降低，發(fā)生大量分解，同時(shí)伴隨碳化物的析出，析出的碳化物，尤其是沿晶界析出的碳化物既為裂紋形核提供了有利位置，又容易成為裂紋擴(kuò)展的途徑，因而導(dǎo)致沖擊韌性顯著下降，另一方面溫度升高，碳原子擴(kuò)散速度增大，脫離位錯(cuò)區(qū)導(dǎo)致未分解殘余奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定性降低，經(jīng)一定量塑性變形后應(yīng)變誘導(dǎo)形成高碳馬氏體，引發(fā)裂紋產(chǎn)生，也是導(dǎo)致沖擊韌性降低的原因之一。在更高溫度回火時(shí)，殘余奧氏體分解基本完成，沖擊功又會(huì)有所上升［7－8］。

關(guān)于低溫回火脆性出現(xiàn)的溫度區(qū)間，依鋼種和組織狀況的不同也不盡相同。一般說來，具有粒狀貝氏體組織的鋼，其回火脆性區(qū)溫度范圍較寬，且脆性區(qū)的下限溫度偏低，接近于250℃。本文試驗(yàn)鋼回火脆性的峰谷溫度出現(xiàn)在300℃～350℃相對(duì)較高的區(qū)間，這可能是由于微合金元素Si、Mo的加入推遲了回火脆性的緣故［8］。一定含量的Si、Mo能夠有效阻止貝氏體相變過程中碳化物的析出，使貝氏體鐵素體條內(nèi)或條間存在穩(wěn)定的殘余奧氏體，從而推遲殘余奧氏體的分解，提高回火抗力，使貝氏體鋼的回火脆性曲線向右推移，峰谷值出現(xiàn)的回火溫度升高［1－3］。

4 結(jié)論

1)AH80DB低碳貝氏體鋼在300℃～350℃回火發(fā)生了回火脆性，在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)避開這一回火溫度區(qū)間，避免沖擊韌性惡化而導(dǎo)致的性能降低。

2)AH80DB低碳貝氏體鋼在250℃～550℃回火溫度區(qū)間發(fā)生了島狀相的分解，250℃左右島狀相開始分解，300℃～350℃分解數(shù)量多，尺寸大，且沿晶界分布，是導(dǎo)致沖擊韌性差的主要原因。

3)隨著回火溫度的升高，島狀相的分解在500℃～550℃基本完成，沖擊韌性逐漸升高。

［1］崔忠圻，覃耀春.金屬學(xué)與熱處理.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:190－278.

［2］胡光立，劉正堂，王平，等.幾種結(jié)構(gòu)鋼的回火貝氏體脆性.金屬學(xué)報(bào)，1989，25(2):110 －114.

［3］劉東雨，徐鴻，楊昆，等.貝氏體/馬氏體復(fù)相組織對(duì)低碳合金鋼強(qiáng)韌性的影響.金屬學(xué)報(bào)［J］，2004，40(8):882 －886.

［4］Bhadeshia H K D H，Edmonds D V.Temered martensite embrittlement:Role of retained austenite and cementite，Met Sci，1979;13(6):325－334.

［5］劉東雨，方鴻生，白秉哲.殘留奧氏體對(duì)1500 MPa級(jí)新型低碳Mn－Si－Cr系合金鋼沖擊韌度的影響.材料熱處理學(xué)報(bào).2002，20(4):57 －61.

［6］Horn R M，Ritchie R O.Mechanisms of tempered martensite embrittlement in low alloy steel，Metall.Trans，1978，9A(8):1039 －1053.

［7］趙捷，王志奇，李建平.低碳粒狀貝氏體鋼強(qiáng)韌化機(jī)理的探討.天津理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，16(1):11 －15.

［8］黃維剛，方鴻生，鄭燕康.回火溫度對(duì)高硅Mn－B系貝氏體鋼強(qiáng)韌性的影響.金屬熱處理學(xué)報(bào)，1999，20(4):30－34.

EFFECT OF TEMPERING TEMPERATURE ON IMPACT TOUGHNESS OF LOW CARBON BAINITIC STEEL AH80DB

Wu Jinyue Zhao Xianping Dou Yuxiang Yang Liu Chen Xinci Wang Zhiguo
(Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd)

Effect of different tempering temperature on impact toughness of low carbon bainitic steel AH80DB is investigated.The results show that the M/A islands start to decompose at about 250℃ and decompose greatly between 300℃～350℃ with large grain along boundary which leads to bad impact toughness from temper brittleness.With the tempering temperature rise，the resolve of M/A islands basically complete within 300℃～350℃，then the impact toughness gradually rise.

tempering temperature AH80DB impact toughness M/A islands temper brittleness

*聯(lián)系人:趙賢平，高級(jí)工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心;

2012—4—3