回火溫度對800MPa級低碳貝氏體鋼組織及性能的影響

孔德南 劉艷玲 齊樂 魏玉芝 周茂奇

( 安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

低碳貝氏體鋼是一種具有強度高、韌性好、良好的加工性能和焊接性能的鋼種。采用TMCP 工藝生產的800 MPa 級低碳貝氏體鋼，為了更好的消除應力和得到優良的綜合性能，采用回火處理。軋制后的熱處理工藝對800 MPa 低碳貝氏體鋼的組織類型、組織比例、組織細化程度及第二相粒子的析出行為具有很大影響，回火溫度對材料的組織及性能至關重要。為此，筆者就不同回火溫度對Mn －Mo －Nb－B 系800 MPa 級低碳貝氏體鋼的強塑性、韌性及顯微組織的影響進行了分析探討。

1 試驗

1．1 試驗材料

為了能確定回火溫度對強度和韌性的影響，試驗材料選取TMCP 工藝軋制后強度相對適中而沖擊韌性較低的材料，進行不同溫度的回火試驗，試驗材料的化學成分見表1。回火處理前試驗材料的力學性能見表2。

表1 試驗材料的化學成分 wt%

表2 試驗材料TMCP 工藝軋制后的性能

1．2 工藝路線

試驗材料所采用的工藝流程: 鐵水預處理→復吹轉爐→LF 爐→板坯連鑄→3500 mm 爐卷軋機→熱處理生產線。

1．3 試驗方法

回火試驗在輥底式無氧化熱處理爐中進行，熱處理加熱系數K =3，加熱溫度偏差控制在±5 ℃。試驗材料分別進行400 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃等不同溫度的回火處理，然后分別進行力學性能及金相組織檢驗。

2 試驗結果與分析

2．1 回火溫度對力學性能的影響

試驗鋼經過不同溫度的回火處理后，其性能出現了較大差異，回火溫度對試驗鋼強塑性及韌性的影響如圖1、圖2 所示。

圖1 回火溫度對強塑性的影響

圖2 回火溫度對韌性的影響

由圖1 可以看出，回火溫度在400 ℃～550 ℃時，屈服強度在750 MPa ～760 MPa 之間，基本沒有多大變化，隨著回火溫度的升高，屈服強度逐漸降低。抗拉強度在400 ℃回火時基本不變，在500 ℃～550 ℃回火時抗拉強度下降到820 MPa 左右，下降了40 MPa，隨著回火溫度的升高，抗拉強度急劇下降，其下降幅度明顯大于屈服強度的下降趨勢。

由圖2 可以看出，沖擊韌性隨回火溫度的升高，呈現先升高后降低的趨勢，沖擊韌性在550 ℃左右達到最高值。

2．2 回火溫度對顯微組織的影響

為進一步了解回火溫度對800 MPa 級低碳貝氏體鋼性能的影響，利用ZEISS Observer A1m 金相顯微鏡對試驗鋼軋制態及回火后熱處理態試樣進行顯微組織觀察，軋態及不同回火溫度的顯微組織如圖3 所示。

圖3 不同回火溫度下的顯微組織

由圖3 可以看出，軋制態試樣的顯微組織為在壓扁的原始奧氏體晶粒內部形成的板條貝氏體和粒狀貝氏體組成的混合組織，原始奧氏體界清晰可見，在一個原始奧氏體晶粒內可將明顯的分區現象，各個分區的邊界明顯，板條貝氏體的板條方向一致，相互平行，貝氏體束的尺寸較大，板條較長。經400 ℃回火處理后，顯微組織仍為板條貝氏體和粒狀貝氏體組成的混合組織，組織沒有根本性轉變，只是貝氏體鐵素體板條略微粗化;回火溫度為500 ℃時，部分板條貝氏體的板條束開始合并，并有部分板條轉換成粒狀貝氏體;550 ℃回火時，板條貝氏體束進一步合并，數量減少，粒狀貝氏體含量增加，并開始出現多邊形鐵素體;600 ℃回火時，板條貝氏體束開始消失，大角度晶粒減少，晶粒變大;650 ℃回火時，較大的粒狀貝氏體較多，晶粒相對粗大。

3 討論

資料［1］顯示，低碳貝氏體鋼的軋制態組織為中溫轉變的微米及亞微米級貝氏體組織，尤其是板條貝氏體，這種組織本身是一種亞穩組織，具有自發向平衡態組織及多邊形鐵素體轉變的傾向。然而從系列回火溫度的顯微組織顯示，經回火處理后仍然難以變成平衡態組織，這主要是由于低碳貝氏體鋼軋態組織中的板條貝氏體內的位錯密度較高，且鋼中含有的微合金Nb、Ti 等在軋制及回火處理過程中會形成大量細小的第二相粒子，這些細小彌散的析出粒子會釘扎位錯，從而阻礙亞穩態組織向平衡組織的轉變。一般認為，鋼中形成多相組織的混合組織對獲得強韌性良好的綜合性能較為有利。從試驗結果來看，回火溫度在500 ℃～550 ℃時的綜合性能最好，強度較軋制態略有下降，而沖擊韌性卻有大幅度提高。這主要是在500 ℃～550 ℃回火時，相變位錯首先發生回復，位錯密度下降，固溶強化作用減弱，微細板條狀貝氏體組織在回火過程中，板條內部分位錯消失，大部分位錯形成胞狀結構，貝氏體板條展寬，板條間發生合并，并形成多邊形鐵素體［2］，造成強度降低。但回火時原有混亂狀態存在的位錯轉變為位錯胞狀結構，位錯的重組形成有一定取向差的亞結構，使有效晶粒尺寸變小，同時有細小的第二相粒子大量析出，M/A 島分解細化，以及多邊形鐵素體的比例增加，沖擊韌性得到大幅度提高。但隨著回火溫度的增高，一方面碳氮化物析出粒子逐漸長大，并粗化，位錯開始脫離析出物的釘扎，因而使位錯強化、析出強化效果明顯減弱，同時貝氏體板條也逐漸粗化，板條之間發生合并，形成多邊形鐵素體，因此強度隨之下降。另一方面殘余奧氏體大量分解［3］、大角度晶界減少、有效晶粒尺寸變大等，導致強度和沖擊韌性都大幅度降低。因此只有采用合理的回火工藝，才能獲得良好的綜合性能。

4 結論

通過對不同回火溫度得到的顯微組織及力學性能的研究分析，得出:

1) 回火溫度對800 MPa 級低碳貝氏體鋼的顯微組織和性能有著顯著的影響。回火溫度過低時，雖然強度變化幅度較小，但沖擊韌性不能得到有效改善。而回火溫度過高時，強度大幅度下降，同時沖擊韌性也得不到改善。

2) 就試驗鋼的成分體系而言，回火溫度采用500 ℃～550 ℃回火，可以得到良好的綜合性能。

［1］王克魯，魯世強，陳慶軍，等．回火溫度對熱軋低碳貝氏體鋼顯微組織和力學性能的影響［J］．機械工程材料，2009，33(5): 9－11．

［2］賀信萊，尚成嘉，楊善武，等．高性能低碳貝氏體鋼［M］． 北京:冶金工業出版社，2008:191 －193．

［3］彭金明，羅毅，汪宏斌，等．回火溫度和時間對貝氏體型非調質鋼力學性能的影響［J］．上海金屬，2009，31(3) :16 －19．