趙 帥， 宋仁伯， 張 宇， 霍巍豐， 王永金， 王鑫瑋， 陳星翰

(1. 北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100083；2. 鞍鋼集團(tuán)北京研究院有限公司， 北京 102209)

中錳鋼的Mn含量一般在3%～12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))之間[1]。Mn含量較高導(dǎo)致的焊接性問(wèn)題一直是中錳鋼難以工業(yè)化生產(chǎn)的問(wèn)題之一[2-3]。降Mn在降低成本的同時(shí)，更主要是減少對(duì)焊接性的影響，這已經(jīng)成為了中錳鋼工業(yè)化生產(chǎn)的趨勢(shì)。中錳鋼常常采取臨界退火兩相區(qū)保溫退火工藝進(jìn)行強(qiáng)化，組織一般為鐵素體+奧氏體或鐵素體+奧氏體+馬氏體[4-5]。

退火時(shí)間和溫度是當(dāng)前中錳鋼熱處理工藝中關(guān)注和研究較多的關(guān)鍵參數(shù)，但少有對(duì)臨界退火冷卻方式(水冷和空冷)的研究。在較高M(jìn)n含量的中錳鋼中，高M(jìn)n含量導(dǎo)致的強(qiáng)奧氏體熱穩(wěn)定性造成冷卻過(guò)程中奧氏體含量變化不大[6]；雖然降低Mn含量不利于中錳鋼延展性的提高，但是低合金含量會(huì)降低生產(chǎn)工藝難度[7-9]。因此，低Mn含量會(huì)使中錳鋼具有更高的產(chǎn)業(yè)化潛力。但是，低Mn含量的中錳鋼組織和性能會(huì)受到退火冷卻方式的影響[10]。在此背景下對(duì)低Mn含量中錳鋼熱處理工藝的冷卻方式進(jìn)行探究是必要的。

因此，本文設(shè)計(jì)了基于3Mn體系的中錳鋼鋼種，并加入微合金元素Nb、Mo進(jìn)行強(qiáng)化，研究了冷卻方式在不同臨界退火溫度下對(duì)中錳鋼組織和力學(xué)性能的影響，填補(bǔ)低Mn系中錳鋼在冷卻方式探究上的技術(shù)空白。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼成分如表1所示。將鑄態(tài)試驗(yàn)鋼鍛后熱軋，熱軋至6 mm厚。利用帶有TCFE8數(shù)據(jù)庫(kù)的Thermo-Calc軟件對(duì)試驗(yàn)鋼的相平衡圖進(jìn)行計(jì)算，如圖1所示。用DIL805A熱膨脹儀確定兩相區(qū)溫度區(qū)間，熱膨脹儀測(cè)得奧氏體開始形成溫度為694 ℃，滲碳體完全溶解溫度為719 ℃，完全奧氏體化溫度為806 ℃。基于此，選取滲碳體析出溫度700 ℃、無(wú)滲碳體析出溫度750 ℃、接近完全奧氏體溫度800 ℃作為臨界退火溫度。在臨界退火溫度保溫30 min后分別以水冷和空冷的方式進(jìn)行冷卻。取10 mm×10 mm試樣進(jìn)行研磨、機(jī)械拋光，使用ZEISS GeminiSEM 500掃描電鏡進(jìn)行組織觀察和SEM-EDS的面掃。將試樣預(yù)磨、拋光后進(jìn)行電解拋光，使用SmartLab X射線衍射儀進(jìn)行物相分析，測(cè)量奧氏體含量。利用MTS Exceed E45電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)變形區(qū)尺寸為25 mm×6 mm×4 mm的狗骨狀試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。取試樣薄片進(jìn)行研磨、雙噴處理后，使用JEOL 2100透射電鏡進(jìn)行TEM分析。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 Thermo-Calc軟件計(jì)算的試驗(yàn)鋼相平衡圖(a)及其熱膨脹曲線(b)Fig.1 Phase equilibrium diagram calculated by Thermo-Calc software(a) and thermal dilatometric curve(b) of the tested steel

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織分析

根據(jù)Thermo-Calc的計(jì)算結(jié)果和圖2的顯微組織可知，700 ℃退火后試驗(yàn)鋼的顯微組織主要為殘留奧氏體、鐵素體和滲碳體。隨著臨界退火溫度升高，滲碳體逐漸溶解。當(dāng)臨界退火溫度為750 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼組織主要為奧氏體、馬氏體以及部分鐵素體。在800 ℃臨界退火后基體組織為馬氏體，同時(shí)伴隨著團(tuán)簇狀大尺寸的富Mo、Nb碳化物。圖2和圖3分別為不同臨界退火溫度下水冷和空冷后試驗(yàn)鋼的SEM照片。水冷和空冷后的相組成相同，但是這并不代表水冷和空冷對(duì)組織含量的影響相同，特別是對(duì)中錳鋼性能敏感的奧氏體含量。圖4為不同臨界退火溫度下試驗(yàn)鋼中碳化物的SEM和TEM照片。TEM結(jié)果表明，800 ℃臨界退火后的富集析出物為富Mo的NbC結(jié)構(gòu)，即(Nb, Mo)C。這種大尺寸析出物容易在變形過(guò)程中誘發(fā)應(yīng)力在界面的集中，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致塑性惡化[11-12]。

圖2 不同臨界退火溫度下水冷后試驗(yàn)鋼的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of the tested steel intercritical annealed at different temperatures then water cooled(a) 700 ℃; (b) 750 ℃; (c) 800 ℃

圖3 不同臨界退火溫度下空冷后試驗(yàn)鋼的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of the tested steel intercritical annealed at different temperatures then air cooled(a) 700 ℃; (b) 750 ℃; (c) 800 ℃

圖4 不同臨界退火溫度下水冷后試驗(yàn)鋼中碳化物的形貌(a, b, f)及成分分析(c, d, e)Fig.4 Morphologies(a, b, f) and composition analysis(c, d, e) of carbides in the tested steel intercritical annealed at different temperatures then water cooled(a) 700 ℃; (b-f) 800 ℃

殘留奧氏體是影響中錳鋼性能的關(guān)鍵因素[13-14]。使用XRD測(cè)定殘留奧氏體的含量，結(jié)果如圖5所示。700 ℃時(shí)，由于溫度接近奧氏體初始轉(zhuǎn)變點(diǎn)A1溫度，奧氏體的含量較低。隨著臨界退火溫度的升高，奧氏體含量先升高后降低。隨著臨界退火溫度升高，奧氏體含量增加，滲碳體的溶解使得基體中C和Mn含量增多，能夠保留更多的殘留奧氏體[15]。在800 ℃時(shí)，過(guò)高的奧氏體含量會(huì)導(dǎo)致有限的C和Mn配分至更多的奧氏體中，降低了奧氏體內(nèi)的平均C、Mn濃度，導(dǎo)致奧氏體穩(wěn)定性降低；另外團(tuán)簇狀(Nb, Mo)C的析出也會(huì)造成基體的C損失，進(jìn)一步降低了奧氏體的穩(wěn)定性。因此在800 ℃臨界退火時(shí)，殘留奧氏體的含量降幅明顯。

圖5 不同臨界退火溫度及冷卻方式下試驗(yàn)鋼的殘留奧氏體含量與強(qiáng)塑積(a)及XRD圖譜(b)Fig.5 Content of retained austenite and product of strength and elongation(a) and XRD patterns(b) of the tested steel intercritical annealed at different temperatures and cooled by different methods

在700 ℃和750 ℃臨界退火時(shí)，水冷和空冷的殘留奧氏體含量基本相同。在800 ℃臨界退火時(shí)，空冷保留了更多的殘留奧氏體?？绽浜退鋵?duì)奧氏體含量的影響在較高的退火溫度下表現(xiàn)得更為明顯，此時(shí)冷卻過(guò)程中元素配分的作用顯得尤為重要。空冷比水冷具有更慢的冷卻速度，這為奧氏體和冷卻過(guò)程中先形成的鐵素體和馬氏體之間提供了C和Mn的配分時(shí)間?？绽湓诟邷叵碌睦鋮s速度依然很快，這是冷卻過(guò)程中鐵素體較少的原因。配分進(jìn)入奧氏體中的C和Mn加強(qiáng)了奧氏體的穩(wěn)定性，使得殘留奧氏體留存更多。由于800 ℃下退火的殘留奧氏體的穩(wěn)定性較弱，含量很低，在TEM下很難找到殘留奧氏體的形貌和衍射。另外，TEM-EDS不能準(zhǔn)確測(cè)量C的含量。因此，通過(guò)馬氏體和鐵素體中Mn含量的對(duì)比也可以觀察配分情況。如圖6所示，空冷后的鐵素體中的Mn和相界中的Mn分別低于和高于水冷后的鐵素體。這表明冷卻過(guò)程中存在Mn從鐵素體向奧氏體中的遷移。所有馬氏體均是由奧氏體轉(zhuǎn)變而成，馬氏體中Mn含量的對(duì)比也能說(shuō)明冷卻過(guò)程中的配分行為差異。最終含有更多C和Mn使得空冷殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)(5.0%)高于水冷后的殘留奧氏體(0%)。

圖6 800 ℃臨界退火后不同冷卻方式下試驗(yàn)鋼的TEM照片(a, b)和Mn含量(c)Fig.6 TEM images(a, b) and Mn content(c) of the tested steel intercritical annealed at 800 ℃ then cooled by different methods(a)空冷(air cooling); (b) 水冷(water cooling)

2.2 力學(xué)性能分析

圖7為不同臨界退火溫度下試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線。表2為不同臨界退火溫度下試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能。隨著臨界退火溫度升高，屈服強(qiáng)度先降低后升高。試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度不斷上升，但斷后伸長(zhǎng)率不斷降低。屈服強(qiáng)度與基體初始組織中的位錯(cuò)密度有關(guān)[16]。在700 ℃臨界退火時(shí)，基體基本為鐵素體，滲碳體析出較多，導(dǎo)致析出物界面附近位錯(cuò)增加，使得屈服強(qiáng)度較高。隨著臨界退火溫度升高，滲碳體逐漸溶解，導(dǎo)致基體內(nèi)位錯(cuò)密度降低，同時(shí)較軟的奧氏體含量增多，且?jiàn)W氏體相會(huì)先發(fā)生塑性變形，因此屈服強(qiáng)度降低。當(dāng)臨界退火溫度進(jìn)一步升高時(shí)，保溫時(shí)基體中奧氏體含量增多，而配分的C和Mn濃度較低，奧氏體的穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致冷卻后大量馬氏體硬相生成，提高了試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度。

圖7 不同臨界退火溫度及冷卻方式下試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線Fig.7 Engineering stress-engineering strain curves of the tested steel intercritical annealed at different temperatures and cooled by different methods

抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要來(lái)源于基體組織中含量越來(lái)越多的馬氏體。而馬氏體硬相的增多在提高強(qiáng)度的同時(shí)惡化了試驗(yàn)鋼的塑性，因此適當(dāng)控制馬氏體的含量，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和塑性的良好結(jié)合是中錳鋼組織設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。強(qiáng)塑積(抗拉強(qiáng)度與斷后伸長(zhǎng)率的乘積)是評(píng)判中錳鋼性能的有效參數(shù)。強(qiáng)塑積的變化和殘留奧氏體含量變化曲線如圖5所示，在不同臨界退火溫度下，強(qiáng)塑積的變化趨勢(shì)與殘留奧氏體含量相同。隨著臨界退火溫度升高，強(qiáng)塑積先升高后下降，殘留奧氏體含量與強(qiáng)塑積具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。針對(duì)不同臨界退火冷卻方式來(lái)看，對(duì)比表2的強(qiáng)塑積發(fā)現(xiàn)，800 ℃空冷強(qiáng)塑積為15.5 GPa%，水冷的強(qiáng)塑積為12.0 GPa%，空冷后的強(qiáng)塑積更高，這得益于空冷下更高的奧氏體含量導(dǎo)致的更高塑性。在700 ℃和750 ℃臨界退火時(shí)，水冷和空冷的強(qiáng)塑積差異并不明顯。這表明水冷和空冷對(duì)于試樣性能的影響差異在較高臨界退火溫度下才能體現(xiàn)出來(lái)。

表2 不同臨界退火溫度及冷卻方式下試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

3 結(jié)論

1) 隨著臨界退火溫度升高，試驗(yàn)中錳鋼中滲碳體逐漸溶解，馬氏體含量不斷增加；試驗(yàn)鋼的強(qiáng)塑積與殘留奧氏體含量的變化趨勢(shì)相匹配。在臨界退火溫度為750 ℃時(shí)，中錳鋼得到了最優(yōu)綜合力學(xué)性能，水冷后屈服強(qiáng)度為750 MPa，抗拉強(qiáng)度為1820 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為13.9%。在800 ℃臨界退火時(shí)，由于奧氏體內(nèi)平均C、Mn濃度較低，奧氏體穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致冷卻后形成大量馬氏體；另因大尺寸團(tuán)簇狀(Nb，Mo)C的析出增加了基體中的C損失進(jìn)一步降低了奧氏體穩(wěn)定性，最終惡化了試驗(yàn)鋼的延展性。

2) 在相同臨界退火溫度下，水冷和空冷后試驗(yàn)鋼的相組成相同。臨界退火冷卻方式(空冷和水冷)對(duì)殘留奧氏體含量和力學(xué)性能影響差異在臨界退火溫度較高(800 ℃)時(shí)體現(xiàn)出來(lái)，這與空冷的冷卻時(shí)間更長(zhǎng)有關(guān)。較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間為C和Mn從先形成的馬氏體或鐵素體中配分進(jìn)入奧氏體提供了時(shí)間，使得奧氏體穩(wěn)定性較高，進(jìn)而有更多的奧氏體能夠保留下來(lái)。