回火溫度對1100 MPa級高強鋼組織與性能的影響

王 琪， 吳光亮

(中南大學 資源加工與生物工程學院， 湖南 長沙 410081)

近年來，隨著我國在國內以及一帶一路沿線國家基礎設施建設方面的大力投入，工程機械得到廣泛的運用，對于高強度工程機械結構用鋼的需求也在不斷增加。同時為了滿足工程機械行業“三大一高”發展對工程機械用鋼力學和工藝性能提出的要求[1-3]，工程機械用鋼的強度級別已經發展到了1100 MPa以上，為保證高強度工程機械用鋼的焊接性能，一般采用低碳低合金的成分設計，結合控軋控冷技術和調質處理工藝來實現所需要的強度、韌性和焊接性能的匹配。

大多數高強度級別工程機械用鋼的基體組織為馬氏體，而淬火馬氏體作為一種亞穩態的組織，組織內部的殘余應力較高，基體內部的C原子也處于過飽和狀態[4]。因此需要通過回火處理來降低淬火內應力，改善組織并提升韌塑性[5-6]。但韌塑性的改善往往伴隨著強度的下降，并且在一定溫度范圍還會出現回火脆性[7]，因此需要采用合適的回火工藝來使材料強韌配合處于最佳水平。本文以國內鋼廠自主設計的高強度工程機械用鋼為研究對象，研究了不同溫度回火對其微觀組織和力學性能的影響，為高強度工程機械用鋼的開發應用提供參考。

1 試驗材料和方法

試驗材料取自國內某鋼廠的12 mm厚1100 MPa級高強度工程機械用鋼(Q1100)熱軋板，其化學成分如表1所示。利用熱膨脹儀測定試驗鋼的Ac1溫度為732 ℃，Ac3溫度為886 ℃，Ms溫度為415 ℃。利用線切割從熱軋板上切取200 mm×90 mm×12 mm試樣進行熱處理試驗，使用馬弗爐將試樣加熱到920 ℃，保溫20 min后水淬到室溫，隨后在150、250、350、450、550、650 ℃回火，回火時間為40 min。

表1 Q1100試驗鋼的化學成分(質量分數，%)

從回火后的試樣上沿垂直于軋制方向截取10 mm×12 mm金相試樣，經研磨、拋光后，采用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，然后采用ZEISS光學顯微鏡(OM)進行顯微組織的觀察。由于試驗鋼板的規格限制，從回火后的試樣上加工直徑φ5 mm，長度75 mm的標準拉伸試樣，依據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，采用萬能試驗機進行室溫拉伸試驗。取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的標準沖擊試樣，按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》在-20 ℃下進行沖擊試驗。硬度測試按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用HV5-50 顯微硬度計進行，加載載荷5 kg，加載時間15 s，結果取5次測量的平均值。透射電鏡試樣先用線切割切取厚度為1 mm的薄片，然后磨至70 μm以下，再在-20 ℃下進行雙噴減薄，采用FEI Tecnai G2 F30透射電鏡(TEM)對精細組織以及碳化物進行觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 回火溫度對組織的影響

圖1為試驗鋼經不同溫度回火后的光學顯微組織。可以看出，在150 ℃和250 ℃回火后得到的組織為典型的回火馬氏體，組織中仍然保留著大量淬火過程中生成的板條形態。同一板條束內部板條的取向基本一致，而板條束與板條束之間則呈一定的夾角交叉分布。隨著回火溫度的繼續上升，可動位錯的密度逐漸下降，組織中C獲得足夠的能量并和強碳化物形成元素結合形成碳化物析出，板條馬氏體逐漸分解為鐵素體和碳化物，但是組織中的鐵素體仍然保留著板條形態，如圖1(d)所示。隨著回火溫度的進一步上升，鐵素體發生再結晶，這種板條形態基本消失，組織轉變為等軸狀的鐵素體。

圖1 不同回火溫度下試驗鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of the tested steel after tempering at different temperatures(a) 150 ℃； (b) 250 ℃； (c) 350 ℃； (d) 450 ℃； (e) 550 ℃； (f) 650 ℃

為了更好地觀察組織內部的精細結構，利用TEM觀察試驗鋼回火后的顯微組織。圖2為150 ℃和250 ℃回火時組織內部的板條形貌。可以清晰地觀察到馬氏體板條邊界，板條寬度為200～300 nm，組織中存在部分橫穿整個晶粒的板條，也存在少部分被位錯面阻斷而未能貫穿整個晶粒的馬氏體板條。在更高的回火溫度下，試樣中基本沒有觀察到這種板條結構。事實上回火溫度較高時，馬氏體中C的脫溶程度較高，組織逐漸轉變為回火屈氏體，這種板條形態逐漸消失。

圖2 不同回火溫度下試驗鋼中的馬氏體板條形態Fig.2 Martensite lath morphologies of the tested steel after tempering at different temperatures (a) 150 ℃； (b) 250 ℃

隨著回火溫度的升高，除了這種板條形態的變化之外，組織中的碳化物析出情況也發生了變化，如圖3所示?？梢钥闯?，回火溫度較低時(150 ℃和250 ℃)，組織中析出了大量的呈60°分布的ε碳化物，且 250 ℃ 回火后的ε碳化物更長更粗。而當回火溫度上升到450 ℃時，這種呈60°分布的碳化物數量已大大減少，同時組織中出現了部分呈橢球形碳化物。當回火溫度進一步上升到650 ℃之后，組織中只觀察到橢球形碳化物，且這類碳化物的尺寸出現一定的粗化。同時從圖3(c, d)可以看出，基體顯示得更加清晰明顯，說明此時組織中的位錯密度和內應力已降低到了較低的水平。

圖3 不同回火溫度下試驗鋼中的碳化物形貌Fig.3 Carbide morphologies of the tested steel after tempering at different temperatures(a) 150 ℃； (b) 250 ℃； (c) 450 ℃； (d) 650 ℃

圖4為試驗鋼經不同溫度回火后的拉伸斷口形貌?？梢钥闯?，斷口中存在大量韌窩，為微孔聚合型斷裂，表現出明顯的韌性斷裂特征。同時當回火溫度較低時，組織中有大量小韌窩分布在大韌窩的四周且在大韌窩的底部可以觀察到球形和方型的第二相粒子。隨著回火溫度的升高，馬氏體回復為等軸鐵素體的程度不斷上升，韌窩逐漸變淺變小也更加均勻，網狀紋路更復雜，表現出更好的拉伸性能。

圖4 不同回火溫度下試驗鋼的拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracture morphologies of the tested steel after tempering at different temperatures(a) 150 ℃； (b) 250 ℃； (c) 350 ℃； (d) 450 ℃； (e) 550 ℃； (f) 650 ℃

2.2 回火溫度對力學性能的影響

圖5為試驗鋼經不同溫度回火后的拉伸應力-應變曲線和力學性能。由圖5(a)可以看出，當回火溫度為150 ℃和250 ℃時，曲線中并未出現明顯的屈服階段，而是由彈性階段直接進入強化階段。而隨著回火溫度的升高，曲線中出現屈服平臺，且屈服平臺越來越明顯。這是由于回火溫度較低時，組織中可動位錯較多，塑性變形階段需要克服的位錯滑移阻力較小，且由于加工硬化效應使得屈服平臺被掩蓋。而當回火溫度升高之后，一方面組織中的可動位錯密度下降，另一方面基體中固溶的合金元素逐漸轉變為碳化物析出，對位錯起到釘扎作用，在拉伸過程中需要經過“脫釘”來積累可動位錯，從而表現為屈服平臺的出現[8-9]。

從圖5(b)可以看出，隨著回火溫度的升高，試驗鋼的強度和硬度整體上呈現不斷下降的趨勢。當回火溫度為150 ℃和250 ℃時，抗拉強度、屈服強度和硬度均較高。當回火溫度上升到350 ℃時，屈服強度變化不大，而硬度和抗拉強度降低。隨回火溫度繼續升高，三者都呈現下降的趨勢，當回火溫度為650 ℃時，抗拉強度、屈服強度和硬度均處于較低的水平。出現這種變化的主要原因是鋼材的屈服強度同時受到固溶強化、位錯強化、晶界強化以及析出強化的影響[10]，在低溫回火階段組織仍然保持著板條形態，雖然固溶度以及位錯密度有所下降，但是由于析出了大量的ε碳化物，對于位錯的釘扎作用起到了強化作用，使得強度和硬度的變化不大。而當回火溫度足夠高時，組織中的板條馬氏體回復成為等軸狀鐵素體，基體逐漸軟化，固溶度以及位錯密度大幅下降，并且碳化物也逐漸轉變成為橢球形的碳化物，對可動位錯的釘扎作用減弱，最終導致強度和硬度出現下降。

圖5 不同回火溫度下試驗鋼的力學性能(a)拉伸應力-應變曲線；(b)強度和硬度；(c)伸長率和沖擊吸收能量Fig.5 Mechanical properties of the tested steel after tempering at different temperatures(a) tensile stress-strain curves； (b) stress and hardness； (c) elongation and impact absorbed energy

從圖5(c)可以看出，相較于150 ℃，回火溫度為250 ℃時韌塑性的配合更好，斷后伸長率和沖擊吸收能分別為14.2%和56 J。而回火溫度為350 ℃和450 ℃時，斷后伸長率分別為12.4%和12.2%，沖擊吸收能量分別為41 J和50 J，材料的塑性和韌性較差，這主要是由于此時組織中的碳化物是由ε碳化物轉變成的脆性的滲碳體[11]，并保留ε碳化物的形態，容易造成應力集中，為裂紋的形核和擴展提供路徑，再加上第二類回火脆性的存在，使得試驗鋼的塑性和韌性較差[12]。而當回火溫度較高時，組織內部的碳化物逐漸球化，其邊緣引起的應力集中水平降低，反而可以作為韌窩形核的位置，使得沖擊吸收能量上升。而隨著馬氏體轉變為等軸鐵素體，基體不斷軟化，斷后伸長率也逐漸上升，在回火溫度為650 ℃時斷后伸長率和沖擊吸收能量達到最大值，分別為16.2%和117 J。

綜合以上分析可知，試驗鋼經250 ℃回火后的綜合力學性能最佳，抗拉強度為1423 MPa，屈服強度為1220 MPa，硬度值為446 HV5，斷后伸長率為14.2%，沖擊吸收能量為56 J。

3 結論

1) 回火溫度較低時，試驗鋼組織中的碳化物為呈60°分布的ε碳化物，長度在200 nm左右。隨回火溫度的升高，組織中位錯密度逐漸下降，ε碳化物逐漸轉變為滲碳體并伴隨其它碳化物的析出，逐漸粗化和球化。

2) 在150～650 ℃范圍內回火時，試驗鋼的強度和硬度整體呈現不斷下降的趨勢；斷后伸長率呈現先上升后下降再上升的趨勢，而沖擊吸收能量則呈現先下降后上升的趨勢。

3) 試驗鋼經250 ℃回火40 min后的綜合力學性能最佳，抗拉強度為1423 MPa，屈服強度為1220 MPa，硬度值為446 HV5，斷后伸長率為14.2%，沖擊吸收能量為56 J。