王克偉，施建華，孫　林，蘇　震，呂利鴿

(1.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089；2.首鋼技術(shù)研究院，北京 100043)

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不同回火工藝對熱軋低碳馬氏體高強鋼殘余應(yīng)力的影響

王克偉1，施建華1，孫林1，蘇震1，呂利鴿2

(1.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089；2.首鋼技術(shù)研究院，北京 100043)

摘要：殘余應(yīng)力是影響鋼板板形的重要因素，回火熱處理是消除熱軋淬火后馬氏體鋼板殘余應(yīng)力的重要手段。研究了熱軋低碳馬氏體高強鋼在不同熱處理工藝回火后的殘余應(yīng)力變化規(guī)律，為降低殘余應(yīng)力提供了更為合理的回火工藝制度。用小孔法進行了殘余應(yīng)力的測試，結(jié)果表明，在回火溫度為550和600 ℃，保溫時間為2 h時，回火后得到的鋼板的殘余應(yīng)力有較明顯的消除，殘余應(yīng)力分布也更加均勻。同時還指出，隨著回火工藝的改變，鋼板回火時的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力改變存在較顯著的不同時性。

關(guān)鍵詞：馬氏體；回火工藝；殘余應(yīng)力

熱軋低碳馬氏體高強鋼的強化機制主要是靠相變強化，在熱軋線上通過層冷段實現(xiàn)奧氏體向馬氏體的相變時，會產(chǎn)生比較嚴重的板形問題(主要是邊浪)。板形是板帶材生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題之一，板帶材板形不良的實質(zhì)就是板帶材內(nèi)部存在分布不均勻的殘余應(yīng)力。

在馬氏體轉(zhuǎn)變的過程中，由于組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用，必然會產(chǎn)生比較大的殘余應(yīng)力，回火是在實際生產(chǎn)過程中降低殘余應(yīng)力，改善板形的有效熱處理方法。國內(nèi)系統(tǒng)研究低碳馬氏體高強鋼回火工藝的文獻并不多，對于回火過程中殘余應(yīng)力的演變規(guī)律并無報道。本文對馬氏體高強鋼的回火過程進行研究，測試其殘余應(yīng)力，為選擇合適的回火工藝提供依據(jù)。

1回火試驗和殘余應(yīng)力測試

1.1回火工藝的制訂

通過繪制此鋼種的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，得到該鋼種的Ac1=696 ℃，Ac3=880 ℃，Ar1=402 ℃，Ar3=605 ℃，結(jié)合該鋼的Ac1溫度和所要求達到的力學(xué)性能，選擇回火工藝為：450～650 ℃保溫60～180 min。為了研究鋼板不同部位在回火過程中殘余應(yīng)力的演變規(guī)律，制訂的取樣方案和回火工藝如下。

本試驗的原料由某鋼廠提供，2塊尺寸均為1 200 mm×250 mm×8 mm的鋼板(見圖1)，沿板寬方向分別將鋼板分為邊部、1/4處、中部、1/4處和邊部5個區(qū)域，并分別標記為A～E，F(xiàn)～J區(qū)。在每個區(qū)域，又將鋼板平均切成8個30 mm×250 mm×8 mm的鋼條，按A1～A8的規(guī)則編號，具體回火工藝見表1。

圖1　回火試樣制取位置圖

回火溫度/℃回火保溫時間/h123450A1,B2,C4,D5,E7A3,B1,C6,D6,E5A4,B4,C7,D7,E6500A5,B5,C1,D1,E1A6,B6,C2,D2,E2A7,B7,C3,D3,E3550F2,G2,H5,I5,J7F3,G1,H6,I6,J5I4,G4,H7,I7,J6600F5,G5,H1,I1,J1F6,G6,H2,I2,J2I7,G7,H3,I3,J3650F1,G3,H4,I4,J4F8,G8,H8,I8,J8A8,B8,C8,D8,E8

1.2殘余應(yīng)力測試方法

本文采用小孔法測試殘余應(yīng)力，在具有殘余應(yīng)力的構(gòu)件上打一小孔，使孔的鄰域內(nèi)由于部分應(yīng)力釋放而產(chǎn)生相應(yīng)的位移與應(yīng)變，測量這些位移或應(yīng)變，經(jīng)換算可得小孔處原有的應(yīng)力[1]。

貼片所選位置都在各個鋼條的中心，以避免機械切割對鋼條邊部應(yīng)力狀態(tài)的影響。回火處理前對鋼板1和鋼板2每隔30 mm測試一個點，在回火之后裁成鋼條，在鋼條中心位置貼片測試，應(yīng)與回火前測試的位置間隔一定距離。

2殘余應(yīng)力測試結(jié)果

2.1回火前鋼板的殘余應(yīng)力

在鋸切的過程中，回火鋼板被裁成了窄條，其橫向的殘余應(yīng)力會有所釋放，且引起浪形的殘余應(yīng)力多為沿軋向的；因此，將求得的殘余應(yīng)力變換到沿軋向和板寬方向。本文只表征殘余應(yīng)力沿軋向的分布和演變規(guī)律?；鼗鹎颁摪宓臍堄鄳?yīng)力測試結(jié)果(沿軋向)如圖2和圖3所示。

圖2　鋼板1回火前殘余應(yīng)力

圖3　鋼板2回火前殘余應(yīng)力

對回火前鋼板沿軋制方向殘余應(yīng)力進行分析可以發(fā)現(xiàn)，鋼板內(nèi)各點的殘余應(yīng)力均為負值，是壓應(yīng)力，且數(shù)值均小于該材料在室溫下的屈服強度，鋼板內(nèi)部各點處于彈性平衡狀態(tài)。

回火前鋼板的殘余應(yīng)力邊部較大(>-200 MPa)，中部較小(基本上均<100 MPa)，測試結(jié)果與該鋼板回火前的板形情況一致，表現(xiàn)為邊浪。

2.2不同回火溫度，同一保溫時間回火后鋼板的殘余應(yīng)力

不同回火溫度，保溫時間分別為1、2和3 h鋼板的殘余應(yīng)力分布如圖4～圖6所示。

圖4　不同回火溫度，保溫1 h時鋼板的殘余應(yīng)力分布

圖5　不同回火溫度，保溫2 h時鋼板的殘余應(yīng)力分布

圖6　不同回火溫度，保溫3 h時鋼板的殘余應(yīng)力分布

保溫2 h時，各個溫度回火后的殘余應(yīng)力基本都有不同程度的改善，而且曲線相對較平緩，鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力分布比較均勻。保溫1 h時，450和650 ℃回火后，鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力分布不均勻，個別部位的殘余應(yīng)力不但未降低反而有所增加。所以，推測2 h為試驗鋼種的最佳回火保溫時間。

2.3不同保溫時間，同一回火溫度回火后鋼板的殘余應(yīng)力

某一回火溫度，不同保溫時間回火處理后，鋼板表面的殘余應(yīng)力分布如圖7～圖11所示。

圖7　450 ℃回火保溫不同時間后鋼板的殘余應(yīng)力分布

圖8　500 ℃回火保溫不同時間后鋼板的殘余應(yīng)力分布

圖9　550 ℃回火保溫不同時間后鋼板的殘余應(yīng)力分布

圖10　600 ℃回火保溫不同時間后鋼板的殘余應(yīng)力分布

圖11　650 ℃回火保溫不同時間后鋼板的殘余應(yīng)力分布

分析圖7可知，通過加熱和保溫，沿板寬各部分的殘余應(yīng)力均有所改變。其中，中部殘余應(yīng)力降低的幅度最大，邊部次之， 1/4處變化不大。

當(dāng)回火保溫時間分別為1和2 h時，中部壓應(yīng)力數(shù)值較回火前明顯減小，說明該保溫時間可以達到一定程度上消除殘余應(yīng)力的作用。而回火保溫時間為3 h時壓應(yīng)力卻反常增大，這可能是在長時間的保溫過程中，存在于馬氏體板條間的極少量殘余奧氏體發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變或貝氏體轉(zhuǎn)變，由于比容的差別，體積發(fā)生一定程度膨脹，旁邊位置的組織為阻止其膨脹而對其施加了壓應(yīng)力。對于邊部，回火保溫時間分別為1和2 h時，壓應(yīng)力的變化程度明顯小于回火保溫時間為3 h時。

分析圖8可知，除個別位置外(回火保溫時間2 h的中部和3 h的1/4處)，其余各位置的殘余應(yīng)力較回火前均有所改善，都逐漸趨于均勻化。其中，邊部降低幅度最大，中部次之，1/4處最小。與450 ℃回火的結(jié)果相比，500 ℃消除殘余應(yīng)力的效果較明顯。

分析圖9可知，除回火保溫時間2和3 h的1/4處外，其余各位置的殘余應(yīng)力數(shù)值均有所降低，其中邊部變化最大。

觀察回火保溫時間1 h的圖，鋼板中部殘余應(yīng)力幾乎不變，但1/4處和邊部的變化卻很大；當(dāng)回火保溫時間延長至2 h，中部的殘余應(yīng)力開始降低，由此推測中部組織發(fā)生了很明顯的變化，產(chǎn)生組織應(yīng)力作用于周圍其他位置的組織，使得1/4處和邊部的殘余應(yīng)力反而有所增大。隨著保溫時間的繼續(xù)延長，1/4處和邊部的殘余應(yīng)力反而又有所降低，中部卻增大。

600 ℃回火后，各位置的殘余應(yīng)力更趨于平緩，變化比較均勻，表明鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力正向均勻化分布發(fā)展。對比發(fā)現(xiàn)，保溫2 h后鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力最大最小值的差值最小，分布最均勻，可見2 h的保溫時間相對較合理。

當(dāng)回火溫度為650 ℃時，回火保溫時間為2 h時鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力的改善最明顯；而保溫時間為1 h時，鋼板邊部殘余應(yīng)力幾乎不變；保溫時間為3 h時，邊部和中部的殘余應(yīng)力均降低很大幅度，但1/4處卻反向增大。

當(dāng)回火溫度分別為550和600 ℃時，鋼板各部分的殘余應(yīng)力大部分有所降低，且曲線的變化趨于平坦，表明該溫度下的回火處理已經(jīng)使得鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力逐漸分布均勻。

3討論

由于鋼板厚度較小，且測試點均位于上表面，可以認為沿板厚方向各位置的熱應(yīng)力是一致的，所以對沿板寬方向回火后的熱應(yīng)力演變進行分析，然后再附加上組織應(yīng)力[2]，與實際測得的殘余應(yīng)力結(jié)果進行對比。

3.1鋼板回火過程中熱應(yīng)力的演變過程

回火過程中沿板寬方向鋼板熱應(yīng)力的變化過程如圖12所示。淬火后沿板寬方向鋼板邊部和心部均受壓應(yīng)力(見圖12a)。在回火過程中，邊部金屬首先受熱膨脹，周圍金屬阻止其膨脹，使其受壓應(yīng)力，而中部受拉應(yīng)力，使得鋼板邊部受更大的壓應(yīng)力，使中部淬火后所受壓應(yīng)力有所緩和，表現(xiàn)為中間部分曲線整體上移(見圖12b)。隨著熱傳導(dǎo)過程的進一步傳遞，板寬1/4處位置的金屬開始受熱膨脹，受到邊部和中部金屬帶來的很大的壓應(yīng)力，邊部和中部則為拉應(yīng)力(見圖12c)。當(dāng)中部的溫度也升高時，中部的金屬開始受熱膨脹，造成中部受很大的壓應(yīng)力，邊部則受拉應(yīng)力(見圖12d)。在以后的保溫過程中，各部分溫度趨于一致，溫差逐漸降為零時，由于各部分金屬之間的相互作用，熱應(yīng)力將再次反向，形成邊部壓應(yīng)力，心部拉應(yīng)力的狀態(tài)(見圖12e)。

圖12　回火過程中沿板寬方向鋼板熱應(yīng)力的演變過程

3.2鋼板回火過程中組織應(yīng)力的演變過程

回火過程中沿板寬方向鋼板組織應(yīng)力的演變過程如圖13所示?；鼗疬^程發(fā)生相變時，邊部受壓應(yīng)力，中部受拉應(yīng)力(見圖13a)。當(dāng)溫度達到馬氏體分解的溫度時，馬氏體開始分解成鐵素體和滲碳體，由于馬氏體的比容大于鐵素體和滲碳體，所以該相變過程伴隨著體積收縮的過程。在回火過程中，邊部最先升溫，馬氏體開始分解，該部分體積收縮，周圍其他部分又阻止其收縮，使得邊部受拉應(yīng)力，中部受壓應(yīng)力(見圖13b)。隨著進一步升溫，板寬1/4處位置的馬氏體組織也開始分解，此處的體積也開始收縮，在該處呈現(xiàn)較大的拉應(yīng)力(見圖13c)。當(dāng)中部的溫度也達到了馬氏體分解的溫度時，中部組織也開始變化，該部分的體積也開始收縮，周圍其他部分因阻止其收縮而受壓應(yīng)力，中部則受較大的拉應(yīng)力(見圖13d)。同樣，考慮到板厚方向鋼板表層各位置的熱應(yīng)力為較大的壓應(yīng)力，與組織應(yīng)力合并后造成的結(jié)果是曲線整體下移(見圖13d)，使得鋼板沿板寬各位置的殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為大小不同的壓應(yīng)力(見圖13e)。

圖13　回火過程中沿板寬方向鋼板組織應(yīng)力的演變過程

4結(jié)語

通過對各個回火溫度下，不同保溫時間對熱軋低碳馬氏體高強鋼板沿板寬方向殘余應(yīng)力分布的研究發(fā)現(xiàn)： 1)回火熱處理減少了淬火鋼板的內(nèi)應(yīng)力，特別是分布不均勻的殘余應(yīng)力；2)回火溫度分別為550和600 ℃時，鋼板各部分的殘余應(yīng)力大部分有所降低，且曲線的變化趨于平坦，表明該溫度下的回火處理已經(jīng)使得鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力逐漸分布均勻，因而確定試驗鋼種的最佳回火溫度分別為550和600 ℃，最佳回火保溫時間為2 h；3)熱軋低碳馬氏體高強鋼板內(nèi)的殘余應(yīng)力隨回火溫度的提高和回火保溫時間的延長，均表現(xiàn)出先變平緩(均一化)，再反彎的變化趨勢，這主要是受鋼板回火時的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力沿板寬方向存在不同時性所造成的。

參考文獻

[1] 朱甫金．殘余應(yīng)力的測量與應(yīng)用[D]．南京：南京航空航天大學(xué)，1998．

[2] 朱荊璞，邵會孟．殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和對策[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1983．

責(zé)任編輯馬彤

Effect of Different Tempering Processes on the Residual Stress of Hot Rolled Low Carbon Martensite High Strength Steel

WANG Kewei1， SHI Jianhua1， SUN Lin1， SU Zhen1， LYU Lige2

(1.Advanced Technology Generalization Institute of CNGC， Beijing 100089， China；2.Shougang Research Institute of Technology， Beijing 100043， China)

Abstract：Residual stress is an important factor affecting the shape of steel plate. Tempering treatment is an effective method to eliminate the residual stress of hot rolled martensite high-strength steel plate. The changes of residual stress of low carbon hot rolled martensite high strength steel in the tmpering process are studied. And the more reasonable technological regulation of temper process is found in order to reduce the residual stress. The distribution of residual stress is measured by means of blind-hole method. The results show that when the martensite high strength steel is tempered at 550 or 600 ℃ for 2 h, the residual stress is reduced greatly and the distribution of residual stress is more uniform. With the change of tempering process, the thermal stress and micro stress changes separately.

Key words:martensite， tempering process， residual stress

收稿日期：2015-11-22

作者簡介：王克偉(1980-)，男，高級工程師，主要從事熱工及控制等方面的研究。

中圖分類號：TG 161

文獻標志碼:A