史術(shù)華， 高 擎， 錢亞軍

（湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411101）

隨著環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，工程機(jī)械領(lǐng)域的節(jié)能減排迫在眉睫。 國家針對(duì)工程機(jī)械裝備制定了極為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)其步入輕量化的發(fā)展軌道。 超高強(qiáng)度工程機(jī)械用鋼的使用有助于降低設(shè)備鋼材使用量和油耗成本，節(jié)約資源和能源，符合我國節(jié)能減排的基本國策。 目前，超高強(qiáng)度工程機(jī)械用鋼的基體組織主要為馬氏體，而淬火態(tài)馬氏體組織處于亞穩(wěn)態(tài)，強(qiáng)硬度高而塑韌性低，需要通過適當(dāng)?shù)幕鼗鹛幚慝@得優(yōu)良且穩(wěn)定的強(qiáng)韌性匹配［1-4］。 文獻(xiàn)［5］研究了回火溫度對(duì)淬火＋回火熱處理的低碳馬氏體鋼組織和性能的影響，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)鋼在低溫回火（200 ℃）時(shí)馬氏體的板條界清晰且板條束細(xì)小，表現(xiàn)出比在高溫回火時(shí)更優(yōu)良的強(qiáng)韌性匹配。 文獻(xiàn)［6］研究了回火溫度對(duì)中碳馬氏體鋼組織和性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)鋼在低溫回火過程中析出的ε 碳化物能明顯改善鋼的強(qiáng)韌性。 很多研究表明，正火預(yù)處理可以促進(jìn)鋼鐵材料顯微組織的細(xì)化和均勻化，有潛力進(jìn)一步優(yōu)化超高強(qiáng)鋼的強(qiáng)韌性［7-9］。 但關(guān)于低溫回火對(duì)經(jīng)正火預(yù)處理的淬火態(tài)超高強(qiáng)鋼的組織演變和強(qiáng)韌性影響的研究較少。 本文以正火＋淬火處理的工程機(jī)械用Q1100 超高強(qiáng)鋼為研究對(duì)象，研究了低溫回火對(duì)其微觀組織和力學(xué)性能的影響，深入研究了其強(qiáng)韌化機(jī)理，以期為工廠生產(chǎn)超高強(qiáng)鋼的組織調(diào)控和性能優(yōu)化提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為某企業(yè)生產(chǎn)的工程機(jī)械用Q1100 鋼軋制態(tài)鋼板，厚度為11 mm，其化學(xué)成分如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

實(shí)驗(yàn)鋼正火＋淬火＋回火熱處理工藝為：以10 ℃／min的升溫速度將實(shí)驗(yàn)鋼升溫至890 ℃，保溫40 min 后空冷至室溫；然后以10 ℃／min 的升溫速度將其加熱至890 ℃，保溫30 min 后淬火水冷至室溫；最后以10 ℃／min 的升溫速度將實(shí)驗(yàn)鋼分別加熱至185 ℃、230 ℃、275 ℃和320 ℃，均保溫90 min，然后空冷至室溫。

在實(shí)驗(yàn)鋼板1／2 厚度處切取平行于軋向的試樣，用于掃描電子顯微鏡（SEM， FEI Quanta-200）、電子背散射（EBSD）分析。 SEM 試樣在觀察前須進(jìn)行機(jī)械研磨、拋光和腐蝕，腐蝕液采用體積濃度4%的硝酸酒精溶液。 EBSD 試樣在觀察前須進(jìn)行機(jī)械研磨和電解拋光，拋光液為體積濃度10%的高氯酸酒精溶液。 采用SIRION200 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)樣品進(jìn)行SEM 觀察，采用配備EBSD 探頭的ZEISS EVO MA10 掃描電鏡對(duì)樣品進(jìn)行EBSD（Oxford Nordlysmax2， Oxford，UK）表征，使用HKL Channel 5 軟件對(duì)試樣進(jìn)行晶體學(xué)取向分析。

根據(jù)GB 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在鋼板1／2 厚度位置取樣，加工成標(biāo)準(zhǔn)棒狀拉伸試樣，直徑為5 mm。采用MTS-810 力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量室溫拉伸性能，測(cè)試3 個(gè)平行試樣，取其平均值作為最終測(cè)試結(jié)果。 根據(jù)GB／T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)鋼板1／2 位置處取樣，加工成10 mm×10 mm×55 mm 的V 型缺口夏比沖擊試樣。夏比沖擊實(shí)驗(yàn)在－40 ℃環(huán)境下進(jìn)行，測(cè)試3 個(gè)平行試樣，取其平均值作為最終測(cè)試結(jié)果。 采用維氏硬度儀測(cè)量顯微硬度（HV3），每個(gè)試樣測(cè)定8 點(diǎn)硬度，取平均值作為最終硬度結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析討論

2.1 回火溫度對(duì)顯微組織的影響

低碳低合金鋼的奧氏體組織在快速冷卻至室溫時(shí)通過無擴(kuò)散型切變機(jī)制形成板條狀馬氏體［10］。 淬火后，實(shí)驗(yàn)鋼中內(nèi)應(yīng)力很大，產(chǎn)生的馬氏體處于碳的過飽和狀態(tài)，這種狀態(tài)下的馬氏體組織不穩(wěn)定，趨于析出碳化物而向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變［11-13］。 圖1 為在不同溫度下回火90 min 后實(shí)驗(yàn)鋼的微觀組織SEM 照片。 可見實(shí)驗(yàn)鋼均為回火馬氏體組織，在板條狀馬氏體基體上彌散分布有細(xì)小顆粒狀碳化物，隨著回火溫度提高，碳化物的析出驅(qū)動(dòng)力增加，析出數(shù)量增加且產(chǎn)生粗化，馬氏體的分解程度增加，其板條狀形貌的清晰度降低。 回火溫度185 ℃時(shí)，馬氏體的板條狀形貌清晰，析出的顆粒狀碳化物數(shù)量少且極為細(xì)??；回火溫度230 ℃時(shí)，馬氏體的板條狀形貌清晰度降低，析出的碳化物數(shù)量增加且尺寸略為增大；回火溫度275 ℃和320 ℃時(shí)，馬氏體板條狀形貌的清晰度進(jìn)一步降低，碳化物進(jìn)一步粗化且在馬氏體板條界面聚集，馬氏體板條界面處開始出現(xiàn)明顯的碳化物聚集現(xiàn)象，降低界面結(jié)合力，可能使鋼脆化［14］。

圖1 不同溫度下回火后實(shí)驗(yàn)鋼SEM 照片

2.2 回火溫度對(duì)晶界取向差分布的影響

圖2 為在不同溫度下回火90 min 后實(shí)驗(yàn)鋼的晶界取向差分布圖，取向差角不小于15°的為大角度晶界（綠線），取向差角2°～15°的為小角度晶界（紅線）。低碳鋼淬火冷卻過程中，組織內(nèi)的馬氏體以極短時(shí)間爆炸式形核，形成大量位錯(cuò)和以小角度晶界結(jié)合的亞結(jié)構(gòu)，具有較高的小角度晶界占比［15］。 鋼組織內(nèi)的小角度晶界和大角度晶界占比隨回火溫度變化而變化。 回火溫度185 ℃時(shí)，組織內(nèi)小角度晶界占比達(dá)到最高值，大角度晶界占比達(dá)到最低值，分別為63.0%和37.0%；回火溫度320 ℃時(shí)，組織內(nèi)小角度晶界占比達(dá)到最低值，大角度晶界占比達(dá)到最高值，分別為59.1%和40.9%?；鼗饻囟?85～320 ℃屬于低溫回火，實(shí)驗(yàn)鋼中回復(fù)程度逐漸增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相互抵消，小角度晶界占比逐漸降低，大角度晶界占比逐漸提高。

圖2 不同溫度下回火后實(shí)驗(yàn)鋼晶界取向差分布圖及其大小角界面占比統(tǒng)計(jì)圖

2.3 回火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

圖3 為不同溫度下回火90 min 后實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能。 隨著回火溫度升高，抗拉強(qiáng)度下降，屈服強(qiáng)度先升高后下降，硬度逐漸下降，延伸率先略為升高后逐漸下降。 回火處理可能同時(shí)產(chǎn)生軟化作用和強(qiáng)化作用：一方面，碳原子與合金元素脫溶，固溶強(qiáng)化效果減弱，基體發(fā)生軟化；另一方面，細(xì)小碳化物在基體上析出，彌散強(qiáng)化效果增強(qiáng)，基體發(fā)生強(qiáng)化［16-18］。 回火溫度185 ℃時(shí)，鋼抗拉強(qiáng)度和硬度達(dá)到最高值，分別為1 463 MPa 和438HV3。 隨著回火溫度升高，軟化效應(yīng)大于強(qiáng)化效應(yīng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度和硬度逐漸下降，回火溫度320 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度和硬度均達(dá)到最低值，分別為1 368 MPa 和408HV3。 實(shí)驗(yàn)鋼在185 ～275 ℃范圍內(nèi)回火時(shí)，碳化物析出數(shù)量隨回火溫度升高而增加，對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用增強(qiáng)，使鋼的屈服強(qiáng)度升高。 回火溫度275 ℃時(shí)，鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到峰值，為1 270 MPa；回火溫度增加到320 ℃時(shí)，組織的回復(fù)占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致鋼的屈服強(qiáng)度降低。 鋼的回復(fù)程度隨回火溫度升高而增加，有利于其塑性的提高，230 ℃回火時(shí)延伸率達(dá)到峰值，為13.8%；回火溫度升到275 ℃后，碳化物逐漸在馬氏體板條界面上偏聚并長大，降低馬氏體板條界面的結(jié)合力，不利于其微觀組織分布的連續(xù)性和均勻性，使得實(shí)驗(yàn)鋼塑性降低［19］。

圖3 不同溫度下回火后實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度、延伸率與硬度

圖4 為不同溫度下回火90 min 后實(shí)驗(yàn)鋼的拉伸斷口SEM 照片。 由圖4 可見，在185～320 ℃范圍內(nèi)回火后實(shí)驗(yàn)鋼拉伸斷口均呈杯錐狀形貌，由中心纖維區(qū)和邊緣剪切唇組成，均未發(fā)現(xiàn)放射區(qū)，表明試樣在斷裂前均發(fā)生了大量塑性變形，屬于韌性斷裂。 由圖可見，不同溫度下回火后實(shí)驗(yàn)鋼中心纖維區(qū)均分布有大小、深淺不一的韌窩，表明實(shí)驗(yàn)鋼的微觀組織在斷裂過程中均經(jīng)歷微孔的形核、長大和聚合三個(gè)階段而形成韌窩，均具有較好的塑性。 其中，回火溫度230 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼斷口的韌窩尺寸最大、深度最深，說明其具有更好的塑性，與其強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

圖4 不同溫度下回火后實(shí)驗(yàn)鋼拉伸斷口SEM 照片

圖5 為不同溫度下回火90 min 后實(shí)驗(yàn)鋼沖擊功變化圖。 隨著回火溫度升高，實(shí)驗(yàn)鋼沖擊功先降低后升高，回火溫度275 ℃時(shí)，鋼的沖擊功達(dá)到谷值，為35.2 J。這種低溫沖擊韌性隨回火溫度升高而顯著降低的現(xiàn)象與低溫回火脆性有關(guān)［20］。 回火溫度275 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼組織中的碳化物粗化且在馬氏體板條界面上偏聚，弱化了板條界面的結(jié)合力，使界面對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙能力減弱，從而使鋼的沖擊韌性降低［21］。 回火溫度升高到320 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼組織中的碳化物球化，在一定程度上改善了界面的脆化狀態(tài)，低溫沖擊韌性略有回升［22］。

圖5 不同溫度下回火后實(shí)驗(yàn)鋼－40 ℃沖擊功

圖6 為不同溫度下回火90 min 后實(shí)驗(yàn)鋼沖擊斷口SEM 照片（左側(cè)為宏觀形貌，右側(cè)為左側(cè)圖中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的微觀形貌）。 圖6（a）～（d）中標(biāo)示的1、2、3 區(qū)為纖維區(qū)，標(biāo)示的4、5、6 區(qū)為剪切唇。 從宏觀斷口照片中可以看出，185 ℃和230 ℃下回火后的實(shí)驗(yàn)鋼斷面粗糙不平，纖維區(qū)面積較大，表現(xiàn)出韌性較好的特征；275 ℃和320 ℃下回火后的實(shí)驗(yàn)鋼斷面較為光滑，纖維區(qū)面積較小，表現(xiàn)為韌性較差。 185 ℃和230 ℃下回火后的實(shí)驗(yàn)鋼微觀斷口有明顯的韌性斷裂特征，其纖維區(qū)中可觀察到大量較深的等軸型韌窩，剪切唇中可觀察到大量較深的拋物線型韌窩。 275 ℃和320 ℃下回火后的實(shí)驗(yàn)鋼微觀斷口以介于韌性斷裂與脆性斷裂之間的混合型斷裂形式存在，其纖維區(qū)中可觀察到大量較淺的等軸型韌窩、撕裂棱以及解理小刻面，剪切唇中則可觀察到拋物線型韌窩和裂紋。

圖6 不同溫度下回火后實(shí)驗(yàn)鋼沖擊斷口SEM 照片

從宏觀和微觀斷口形貌可以看出，185 ℃和230 ℃下回火后的實(shí)驗(yàn)鋼比275 和320 ℃下回火后的實(shí)驗(yàn)鋼具有更優(yōu)秀的低溫沖擊韌性，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

3 結(jié) 論

1） 不同溫度下回火時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼微觀組織為板條狀馬氏體和彌散碳化物，隨著回火溫度提高，碳化物的析出驅(qū)動(dòng)力增加，析出相數(shù)量增加且發(fā)生粗化，馬氏體的分解程度增加。

2） 隨著回火溫度升高，實(shí)驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度逐漸下降，屈服強(qiáng)度先升高后下降，延伸率先略為升高后逐漸下降，185 ℃回火時(shí)抗拉強(qiáng)度最高，275 ℃回火時(shí)屈服強(qiáng)度最高，230 ℃回火時(shí)延伸率最高。

3） 隨著回火溫度升高，實(shí)驗(yàn)鋼沖擊功先下降后上升，在高于275 ℃回火時(shí)實(shí)驗(yàn)鋼組織析出的碳化物在馬氏體板條界面偏聚，導(dǎo)致低溫回火脆性，使鋼的塑性和韌性降低。 230 ℃回火的實(shí)驗(yàn)鋼具有較優(yōu)的綜合力學(xué)性能。