王海波，王承劍，胡學(xué)文，彭 歡，石東亞

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心,安徽馬鞍山 243003）

引言

隨著超限超載治理以及節(jié)能減排等政策的全面實(shí)施，輕量化已成為商用車發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。高強(qiáng)鋼作為輕量化最有效、最直接的手段，商用車對(duì)高強(qiáng)鋼的需求量呈逐年增加趨勢(shì)。研究表明，當(dāng)汽車整車質(zhì)量每降低10%可以節(jié)約6%～8%燃油。此外，隨著工程機(jī)械設(shè)備向大型化、輕量化發(fā)展，工程機(jī)械行業(yè)對(duì)高強(qiáng)鋼的需求也越來(lái)越迫切[3-6]。

目前國(guó)內(nèi)外可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供貨熱軋TMCP 工藝生產(chǎn)的低合金高強(qiáng)鋼板材最高強(qiáng)度僅為900 MPa。1 000 MPa 及以上強(qiáng)度級(jí)別熱軋超高強(qiáng)鋼往往通過(guò)熱軋+調(diào)質(zhì)熱處理工藝實(shí)現(xiàn)的[7-10]。該類產(chǎn)品存在合金成本較高、焊接裂紋敏感性大、工藝流程長(zhǎng)、產(chǎn)品成材率低、組織內(nèi)應(yīng)力極大，產(chǎn)品冷彎成形性能受限，制約其應(yīng)用范圍。

采用低碳當(dāng)量低成本成分設(shè)計(jì)，結(jié)合相匹配的熱軋TMCP 工藝，在高性能、易成形、綠色化等諸方面優(yōu)勢(shì)更加明顯。相關(guān)研究表明，卷取溫度的確定是熱軋TMCP 工藝穩(wěn)定生產(chǎn)的低合金高強(qiáng)鋼的關(guān)鍵。本文以新一代免熱處理熱軋超高強(qiáng)鋼（抗拉強(qiáng)度≥1 000 MPa）為研究對(duì)象，探討了回火溫度對(duì)熱軋超高強(qiáng)鋼力學(xué)性能、組織和微觀結(jié)構(gòu)的影響，目的在于為工業(yè)批量生產(chǎn)超高強(qiáng)鋼的力學(xué)性能穩(wěn)定控制提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為熱軋TMCP 工藝生產(chǎn)的低合金高強(qiáng)鋼（抗拉強(qiáng)度≥1 000 MPa），其主要化學(xué)成分如表1所示。盡可能模擬工業(yè)化生產(chǎn)中鋼卷實(shí)際溫降過(guò)程，將試驗(yàn)用鋼分別加熱至要求的溫度（150 ℃、200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃和500 ℃）保溫2 h，爐冷至室溫?；鼗鸷笤囼?yàn)鋼按照國(guó)標(biāo)要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。采用金相顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）進(jìn)行顯微組織分析觀察，研究回火溫度對(duì)1 000 MPa 級(jí)超高強(qiáng)鋼的組織和力學(xué)性能的影響。

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分 %

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 回火溫度對(duì)熱軋超高強(qiáng)鋼顯微組織的影響

圖1 是試驗(yàn)鋼原始組織和分別在150 ℃、200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃以及500 ℃溫度下保溫2 h 回火后采用4% 硝酸酒精浸蝕的金相組織照片。從圖1 可以看出，試驗(yàn)鋼原始組織為鐵素體+馬氏體的雙相組織，經(jīng)過(guò)不同回火工藝后試樣鋼金相組織未發(fā)生明顯變化仍然為鐵素體+馬氏體的雙相組織，鐵素體和馬氏體的分布沒(méi)有明顯的差別。

圖1 不同回火工藝試驗(yàn)鋼金相組織

針對(duì)上述回火金相組織，采用掃描電鏡對(duì)熱軋超高強(qiáng)鋼組織微觀結(jié)構(gòu)及分布狀態(tài)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2 所示。圖2a 為原始熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼組織，鐵素體/馬氏體界面清晰，馬氏體呈現(xiàn)板條狀。圖2b～i為回火后試驗(yàn)鋼微觀組織，馬氏體是一種穩(wěn)定性較差的組織，在回火過(guò)程溫度提供的原子擴(kuò)散能驅(qū)動(dòng)C原子進(jìn)行擴(kuò)散，使得馬氏體/鐵素體界面成為碳原子偏聚區(qū)，界面微觀上呈現(xiàn)高亮白色。此外，試驗(yàn)鋼經(jīng)過(guò)回火后，馬氏體組織內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)少量呈細(xì)小的條帶狀的碳化物析出相（圖2b），并且條帶狀碳化物析出相含量隨著回火溫度的升高而增加并發(fā)生球化，從而演變成顆粒狀[13]，如圖2i所示。450 ℃回火試驗(yàn)鋼馬氏體組織內(nèi)部出現(xiàn)大量的顆粒狀碳化物析出相。隨著回火溫度的升高，碳化物析出相的產(chǎn)生增多使馬氏體組織內(nèi)部增加了大量的相界面，微觀上馬氏體組織內(nèi)部呈現(xiàn)出大量高亮白色的小顆粒，如圖2h所示。

圖2 不同回火工藝試驗(yàn)鋼SEM組織

2.2 回火溫度對(duì)熱軋超高強(qiáng)鋼性能的影響

圖3為原始態(tài)和不同回火溫度條件下試驗(yàn)鋼的拉伸曲線。150 ℃回火溫度條件下的試驗(yàn)鋼與原始熱軋態(tài)超高強(qiáng)鋼的拉伸曲線一致，均表現(xiàn)出典型的連續(xù)屈服特征，這說(shuō)明150 ℃回火對(duì)熱軋超高強(qiáng)鋼的力學(xué)性能無(wú)明顯影響，這主要是由于150 ℃回火情況下，試驗(yàn)鋼的顯微組織及微觀結(jié)構(gòu)無(wú)明顯區(qū)別。當(dāng)回火溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，其連續(xù)屈服特征消失并出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)，屈服強(qiáng)度由671 MPa 提高794 MPa，抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)略微下降有1 085 MPa下降至1 071 MPa。分析認(rèn)為超高強(qiáng)鋼熱軋過(guò)程中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織體積將膨脹2%～4%，軟相鐵素體必然發(fā)生變形使得組織內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)[14]，此外由于試驗(yàn)鋼采用低溫卷曲工藝，使得鐵素體內(nèi)部C、N 等間隙原子擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力不足，間隙原子來(lái)不及擴(kuò)散到位錯(cuò)，因而鐵素體組織內(nèi)部存在大量的可動(dòng)位錯(cuò)，所以宏觀拉伸過(guò)程試驗(yàn)中熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼出現(xiàn)連續(xù)屈服現(xiàn)象。當(dāng)回火溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，滿足C、N 等間隙原子擴(kuò)散所需要的動(dòng)力，間隙原子向位錯(cuò)處擴(kuò)散起到位錯(cuò)釘扎作用，阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，導(dǎo)致試驗(yàn)鋼連續(xù)屈服特征消失。隨著回火溫度的升高，溫度所能提供的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力進(jìn)一步升高、鐵素體組織內(nèi)部可動(dòng)位錯(cuò)含量下降，宏觀上試驗(yàn)鋼的屈服平臺(tái)愈加明顯。

圖3 不同回火工藝試驗(yàn)鋼拉伸曲線

圖4 不同回火工藝試驗(yàn)鋼力學(xué)性能趨勢(shì)

圖4為不同回火溫度試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能?？梢钥闯鲈?50～500 ℃的回火溫度范圍內(nèi)，試驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度隨著回火溫度的提高而降低，屈服強(qiáng)度先升高后降低，350 ℃處于臨界狀態(tài)。150～350 ℃回火溫度范圍內(nèi)，回火溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響較小，屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比呈現(xiàn)單調(diào)上升趨勢(shì)，試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度由671 MPa 上升至882 MPa、屈強(qiáng)比有0.62 上升至0.85，350 ℃達(dá)到峰值。350～500 ℃回火溫度范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度出現(xiàn)陡然下降，抗拉強(qiáng)度由1 043 MPa 下降至831 MPa、屈服強(qiáng)度由882 MPa下降至713 MPa，屈強(qiáng)比未出現(xiàn)明顯變化。相關(guān)研究表明，隨著回火溫度的上升，鐵素體內(nèi)部可動(dòng)位錯(cuò)逐漸減少且C、N 等間隙原子向位錯(cuò)處擴(kuò)散富集阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，所以在350 ℃回火溫度前，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度呈線性增加；此外，隨著回火溫度的進(jìn)一步升高，驅(qū)動(dòng)力上升有利于馬氏體組織的晶格畸變減小、馬氏體分解加劇、碳化物析出相的聚集球化和長(zhǎng)大，同時(shí)馬氏體發(fā)生軟化，兩者協(xié)同作用使得試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能出現(xiàn)延伸率上升、抗拉和屈服強(qiáng)度下降現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）150～500 ℃的回火溫度范圍內(nèi)，隨著回火溫度的提高，試驗(yàn)鋼屈強(qiáng)比逐漸升高、抗拉強(qiáng)度逐漸降低，屈服強(qiáng)度先升高后降低?；鼗饻囟却笥?50 ℃，試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能發(fā)生顯著變化，其連續(xù)屈服特征消失并出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)。

（2）350 ℃為該試驗(yàn)鋼臨界回火溫度，在保證抗拉強(qiáng)度情況下回火顯著，試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度由671 MPa上升至882 MPa、屈強(qiáng)比由0.62上升至0.85。

（3）試驗(yàn)鋼經(jīng)過(guò)回火后，馬氏體內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)少量的條帶狀碳化物析出相，條帶狀碳化物析出相含量隨著回火溫度的升高而增加并發(fā)生球化，從而演變成顆粒狀。