李洪楠 張紅梅,3 趙大東 王漸靈 劉煥然 李 娜 姜正義,3

(1.遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051； 2.鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000；3.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009)

近年來，由于海洋貿(mào)易日益頻繁，海洋工程建設(shè)與深海探索活動(dòng)蓬勃發(fā)展，船舶更新?lián)Q代周期越來越短，世界市場對(duì)船板鋼的需求與日俱增[1- 3]。船體結(jié)構(gòu)用鋼是船舶制造的重要材料，主要用于制造遠(yuǎn)洋及內(nèi)河航運(yùn)船舶的船體、甲板等。為了達(dá)到船舶制造業(yè)對(duì)船體結(jié)構(gòu)用鋼的強(qiáng)度和韌性等性能的要求，高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼應(yīng)運(yùn)而生[4- 6]。目前已開發(fā)了各種級(jí)別的船體結(jié)構(gòu)用鋼以滿足不同性能要求，主要包括普通強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼、高強(qiáng)及超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼以及海洋平臺(tái)用Z向船體結(jié)構(gòu)用鋼等。船體結(jié)構(gòu)用鋼的成分設(shè)計(jì)已從低碳多元素向復(fù)合微合金化方向發(fā)展，相應(yīng)的船體結(jié)構(gòu)用鋼強(qiáng)度已從低強(qiáng)度逐步達(dá)到高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度級(jí)別[7- 9]。

張杰等[10]的研究表明：控軋控冷態(tài)60 mm厚的E550船板鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，屈服強(qiáng)度隨著淬火溫度的升高而增加，而抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率基本不變。帥勇等[11]研究了回火工藝對(duì)海洋工程用E690鋼組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)鋼回火后的組織主要為板條貝氏體，隨著回火溫度的提高，板條貝氏體向粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變。劉學(xué)一等[12]采用低碳、微合金化成分設(shè)計(jì)，結(jié)合控軋控冷工藝開發(fā)出了40 mm厚F36高強(qiáng)船板鋼，其組織以針狀鐵素體和準(zhǔn)多邊形鐵素體為主，力學(xué)性能良好。

隨著未來北極航線的開發(fā)，國家實(shí)施遠(yuǎn)洋戰(zhàn)略的需要，將有更多的極地破冰船、運(yùn)輸船、大型軍艦、深海探測器在低溫嚴(yán)寒地區(qū)服役，建造這些船舶則需要更多的高質(zhì)量厚板鋼[13- 14]。本文以EH47船板鋼為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究了不同淬火溫度和回火溫度對(duì)EH47鋼顯微組織的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料采用EH47級(jí) 60 mm厚船板鋼，其化學(xué)成分如表1所示。熱處理試樣的尺寸為30 mm×30 mm×10 mm。調(diào)質(zhì)處理工藝為：淬火溫度分別為870、900、930和960 ℃，保溫30 min；回火溫度分別為580、610、640和670 ℃，保溫30 min空冷。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the test steel (mass fraction) %

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 870 ℃淬火、不同溫度回火后鋼的顯微組織

試驗(yàn)鋼在870 ℃保溫30 min淬火和分別在580、610、640、670 ℃回火30 min后的顯微組織如圖1所示。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)鋼的顯微組織主要為鐵素體，且晶粒比較細(xì)小。圖1(a,b)中白色針狀和顆粒狀鐵素體較多，體積分?jǐn)?shù)約70%，還有少量準(zhǔn)多邊形鐵素體和貝氏體。圖1(c)組織以針狀鐵素體為主，體積分?jǐn)?shù)約80%，還有少量粒狀鐵素體和極少量貝氏體。圖1(d)組織以針狀鐵素體為主并含有少量粒狀鐵素體，體積分?jǐn)?shù)約95%，幾乎沒有貝氏體，但晶粒較圖1(c)的略粗。

2.2 930 ℃淬火、不同溫度回火后鋼的顯微組織

試驗(yàn)鋼在930 ℃保溫30 min淬火和分別在580、610、640、670 ℃回火30 min后的顯微組織如圖2所示。圖2(a,b)針狀和粒狀鐵素體較多，晶粒細(xì)小均勻，體積分?jǐn)?shù)約80%，還有少量粒狀貝氏體和馬氏體。圖2(c)晶粒最為細(xì)小均勻，組織以針狀鐵素體為主，體積分?jǐn)?shù)約90%，還有少量貝氏體。圖2(d)針狀鐵素體含量較多，但混有較粗大的準(zhǔn)多邊形鐵素體，組織不均勻。

2.3 960 ℃淬火、不同溫度回火后鋼的顯微組織

試驗(yàn)鋼在960 ℃保溫30 min淬火和分別在580、610、640、670 ℃回火30 min后的顯微組織如圖3所示。圖3(a,b)針狀和粒狀鐵素體較多，體積分?jǐn)?shù)約75%，還有一定量的粒狀貝氏體和馬氏體。圖3(c)晶粒最為細(xì)小均勻，組織以針狀鐵素體為主，體積分?jǐn)?shù)約85%，還有少量粒狀貝氏體。圖3(d)針狀鐵素體含量較多，體積分?jǐn)?shù)約85%，還有少量貝氏體，但混有較粗大的準(zhǔn)多邊形鐵素體，組織不均勻。

圖3 試驗(yàn)鋼經(jīng)960 ℃淬火和不同溫度回火后的顯微組織 Fig.3 Microstructures of the test steels quenched from 960 ℃ and tempered at different temperatures

3 討論

3.1 TEM分析

圖4為試驗(yàn)鋼870 ℃淬火和640 ℃回火后的精細(xì)組織。圖4(a)是板條貝氏體，板條平直，板條間距80～300 nm。圖4(b)貝氏體板條和鐵素體交錯(cuò)分布，貝氏體和鐵素體基體內(nèi)還存在大量的位錯(cuò)。

圖4 試驗(yàn)鋼經(jīng)870 ℃淬火和640 ℃回火后的TEM圖像Fig.4 TEM images of the test steels quenched from 870 ℃ and tempered at 640 ℃

圖5(a)為試驗(yàn)鋼930 ℃淬火和640 ℃回火后的精細(xì)組織。圖5(a)板條貝氏體大體平行排列，在板條貝氏體周邊的鐵素體內(nèi)位錯(cuò)密度較高。圖5(b)鐵素體被位錯(cuò)分割成亞結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)或成網(wǎng)狀或纏結(jié)成團(tuán)。

圖5 試驗(yàn)鋼經(jīng)930 ℃淬火和640 ℃回火后的TEM圖像Fig.5 TEM images of the test steels quenched from 930 ℃ and tempered at 640 ℃

3.2 調(diào)質(zhì)工藝對(duì)顯微組織的影響

由于試樣取自軋制后的板材，變形導(dǎo)致其產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，從而增加了針狀鐵素體的形核位置，促使針狀鐵素體轉(zhuǎn)變，抑制針狀鐵素體的長大，使針狀鐵素體細(xì)化。同時(shí)在低碳微合金化高強(qiáng)度鋼中，Mo和 Nb元素均能擴(kuò)大針狀鐵素體的形成范圍，并降低針狀鐵素體形成的冷卻速度。Nb含量的增加還可以抑制多邊形鐵素體的形成，促進(jìn)針狀鐵素體的形成。Nb元素的增加使形成的針狀鐵素體中含有粒狀貝氏體和M/A島。Mo元素的添加使形成的針狀鐵素體中含有上貝氏體和 M/A島。本文不同工藝調(diào)質(zhì)后的試驗(yàn)鋼板均獲得了較高含量的針狀鐵素體[15- 16]。

通過對(duì)從不同溫度淬火、相同溫度回火的試驗(yàn)鋼的顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，隨著淬火溫度的升高，組織更為細(xì)小均勻，貝氏體含量稍有增加，其中930 ℃淬火的組織最為細(xì)小均勻。對(duì)從相同溫度淬火、不同溫度回火的試驗(yàn)鋼，隨著回火溫度的升高，組織更為細(xì)小，針狀鐵素體含量增加，貝氏體含量減少，930 ℃淬火、640 ℃回火的鋼組織最為細(xì)小均勻。

從930和960 ℃淬火的試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸普遍比從870和900 ℃淬火的鋼細(xì)小，640 ℃回火的鋼的晶粒最細(xì)，鐵素體和貝氏體分布更均勻。因此，EH47船板鋼的最佳調(diào)質(zhì)工藝是在960 ℃保溫30 min后淬火，然后在640 ℃回火30 min，空冷。實(shí)際的調(diào)質(zhì)淬火溫度應(yīng)高于900 ℃，回火溫度不宜過高，應(yīng)控制在580～640 ℃。

4 結(jié)論

(1)EH47船板鋼調(diào)質(zhì)處理后的顯微組織是以針狀鐵素體為主，含有一定量粒狀鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體的混合組織。

(2)在相同溫度回火后，隨著淬火溫度的升高，組織更為細(xì)小均勻，貝氏體含量稍有增加，930 ℃淬火的鋼組織最為細(xì)小均勻。從相同溫度淬火后，隨著回火溫度的升高，組織更為細(xì)小，針狀鐵素體含量增加，貝氏體含量減少，930 ℃淬火、640 ℃回火的鋼組織最為細(xì)小均勻。

(3)從930和960 ℃淬火的試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸普遍比從870和900 ℃淬火的鋼細(xì)小，640 ℃回火的鋼的晶粒最細(xì)，鐵素體和貝氏體分布更均勻。

(4)EH47船板鋼的最佳調(diào)質(zhì)工藝為：960 ℃保溫30 min淬火，640 ℃回火30 min。實(shí)際調(diào)質(zhì)淬火溫度應(yīng)高于900 ℃，回火溫度應(yīng)控制在580～640 ℃。