厚規格Q690D高強鋼板的連續冷卻轉變行為

李 敬， 劉 辰， 楊躍輝， 苑少強， 艾晨光

(1. 唐山學院 河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室， 河北 唐山 063000；2. 河北建支鑄造集團有限公司， 河北 唐山 064100)

Q690D鋼板因具備較高的強度、良好的焊接性和沖擊韌性，被廣泛地應用于能源、建筑、交通、工程機械等行業[1-4]。對于厚規格的鋼板，特別是100 mm以上的鋼板，在某些行業尤其是煤礦機械上具有廣泛的用途[5-6]，但研究卻相對較少。CCT曲線可以預測不同冷速下試驗合金的組織及性能特征，為實際生產提供技術參考[7-9]。本文擬通過熱模擬試驗，對設計的100 mm厚Q690D高強鋼板進行CCT曲線測定，預測不同冷卻速度下組織的變化過程，在合理優化成分設計和熱處理工藝條件下，以確保實際生產中厚規格鋼板在厚度方向上組織及性能的高度均勻性。

1 試驗材料及方法

在試驗生產的100 mm厚Q690D熱軋鋼板上取樣，加工成φ8 mm×55 mm的熱模擬試樣，其化學成分如表1所示。將試樣在Gleeble-1500熱模擬機上以10 ℃/s 的升溫速度快速加熱到1000 ℃，保溫3 min，然后以不同的冷卻速度(0.1、0.5、1、3、5、10、15、20、30、40和50 ℃/s)連續冷卻至室溫，自動測定不同速度下試樣的冷卻曲線。

表1 Q690D試驗鋼的化學成分(質量分數，%)

在熱模擬試樣長度中心切割金相試樣，經研磨、拋光后，采用體積分數4%硝酸酒精溶液侵蝕，然后在奧林巴斯BM41正置光學顯微鏡上觀察其組織。在HD9-45表面維氏洛氏顯微硬度計上測量不同冷速下試樣的維氏硬度，載荷為294 N。對實際生產調質后鋼板取樣，觀察鋼板表層、1/4處及1/2處的顯微組織。

圖1 不同冷卻速度下Q690D鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of the Q690D steel cooled at different rates(a) 0.1 ℃/s; (b) 0.5 ℃/s; (c) 1 ℃/s; (d) 3 ℃/s; (e) 5 ℃/s; (f) 10 ℃/s; (g) 15 ℃/s; (h) 20 ℃/s; (i) 30 ℃/s; (j) 40 ℃/s; (k) 50 ℃/s; (l) 水淬 (water quenched)

2 試驗結果及討論

2.1 不同冷卻速度下的顯微組織

試樣完全奧氏體化后，以不同冷卻速度冷至室溫的顯微組織如圖1所示。可以看出，當冷卻速度為0.1 ℃/s時(圖1(a))，組織為先共析鐵素體、珠光體以及少量的貝氏體，由于原始奧氏體晶粒較為粗大，故組織中有較多的魏氏組織，呈粗大的針狀。當冷速為0.5～1 ℃/s 時(見圖1(b,c))，先共析鐵素體消失，形成了單一的粒狀貝氏體組織，由于冷速仍較慢，合金元素能進行較長距離的擴散，所以粒狀貝氏體中形成的是塊狀的M/A島。冷速為3 ℃/s(見圖1(d))時，由于冷卻速度較快，組織中開始出現板條貝氏體，同時粒狀貝氏體中的M/A島消失，主要以碳化物為主。冷速在5～10 ℃/s(見圖1(e,f))之間時，隨著冷速的增加，組織中的板條貝氏體逐漸增多，而粒狀貝氏體相應減少，冷速10 ℃/s冷卻后的組織中粒狀貝氏體基本消失。冷卻速度達到15 ℃/s后，組織中的粒狀貝氏體基本消失，組織為板條貝氏體，且組織中開始出現少量的馬氏體。繼續提高冷卻速度，冷卻速度從15 ℃/s一直到水淬，組織特征基本相同，未發生明顯的改變，但其中的板條馬氏體含量逐漸增加，如圖1(g～l)所示。隨著冷卻速度的提高，板條貝氏體逐漸減少，直至形成完全淬火馬氏體，如圖1(l)所示。

2.2 不同冷卻速度下的硬度

不同冷卻速度下試樣的硬度變化如圖2所示。冷卻速度低于15 ℃/s時，依次出現鐵素體+珠光體、粒狀貝氏體、板條貝氏體組織，這導致測得的硬度逐漸升高；當冷速高于15 ℃/s時，隨著冷速的升高，組織類型未發生明顯的改變，板條貝氏體逐漸減少，但其中的板條馬氏體含量逐漸增加，由于板條貝氏體組織同樣具有較高的強度和硬度，所以測得的硬度值基本未發生變化。水冷后所獲組織基本為馬氏體組織，因此硬度又有明顯的上升。

圖2 不同冷卻速度下Q690D鋼的硬度Fig.2 Hardness of the Q690D steel cooled at different rates

2.3 連續冷卻轉變曲線

綜合圖1組織變化規律及圖2硬度變化曲線，Q690D鋼板的連續冷卻轉變曲線如圖3所示。由CCT曲線可以看出，當冷速較低時，組織中存在先共析鐵素體和珠光體區域，但其范圍較小；試驗鋼在較寬的冷速范圍內能夠獲得粒狀貝氏體、粒狀貝氏體+板條貝氏體的組織。同時，由于試驗鋼的淬透性較好，冷速達到15 ℃/s 以上后組織中出現馬氏體。馬氏體相變開始溫度約為439 ℃。

圖3 Q690D鋼的連續冷卻轉變曲線Fig.3 Continuous cooling transformation curves of the Q690D steel

2.4 實際應用中Q690D鋼板的組織特征

Q690D鋼板最終的使用狀態是調質態，圖4為調質(水淬+620 ℃回火)后的100 mm厚鋼板不同位置處的顯微組織，可見在鋼板的表面、1/4處及1/2處，均為細小的回火馬氏體，從上文中連續冷卻的熱模擬結果來看，試驗鋼板在很大的冷速范圍內，組織類型及硬度變化穩定。由圖4(b，c)可見，板厚1/4處組織與鋼板表面組織極為接近，僅出現了少量的粒狀貝氏體，表明在所設計的成分下，試驗鋼具有良好的淬透性。對于100 mm的大厚度鋼板而言，其心部冷速較慢，但試驗鋼中仍然得到了以板條馬氏體(回火前)為主的回火馬氏體組織。

圖4 調質態Q690D鋼板的顯微組織(a)表面；(b)1/4厚；(c)1/2厚Fig.4 Microstructure of the quenched and tempered Q690D steel plate(a) surface; (b) 1/4 thickness; (c) 1/2 thickness

綜上所述，由于本試驗鋼板添加了微量B元素，合適的微Ti處理，節省了貴金屬元素Ni，提高了試驗鋼淬透性[10-11]，保證了100 mm厚規格鋼板的截面Z向的組織性能均勻；同時合理軋制及冷卻工藝的制訂，保證了細小組織的遺傳。可見，通過CCT曲線的分析，在實際生產過程中，能夠指導實際生產，厚規格Q690D高強鋼板在厚度方向上的組織性能均勻性得到了很好的體現。

3 結論

1) CCT曲線分析表明，Q690D高強度試驗鋼在較寬的冷速范圍內能夠獲得粒狀貝氏體、粒狀貝氏體+板條貝氏體的組織。而且試驗鋼淬透性較好，冷速達到15 ℃/s以上后組織中即出現馬氏體，硬度值變化不明顯。

2) 試驗鋼板的調質組織由細小的回火馬氏體及微量的貝氏體組成，截面Z向組織與性能均勻，同CCT曲線的分析結果一致。