回火工藝對700MPa高強鋼性能和組織的影響

摘 要：為了研究較長時間回火對性能和組織的影響，利用馬弗爐、SEM、EDS、拉伸試驗機和沖擊試驗機，分析700 MPa高強鋼熱軋和回火狀態的性能和組織變化。結果表明，回火后性能變化較大，與熱軋工藝有較大關系；回火溫度600 ℃和回火時間60 min時，鐵素體長大明顯、M/A組元大量分解，降低了強度提高了韌性；回火工藝為回火溫度570 ℃和65 min時，鐵素體的長大不明顯，M/A組元的分解不完全，有利于保持較高的強度；粒狀貝氏體和細小的M/A組元是700 MPa高強鋼保持較高強度和韌性的基礎，存在大尺寸TiN的情況下，回火后-20 ℃橫向沖擊功可達100 J左右。

關鍵詞：700 MPa；M/A組元；沖擊功；回火；粒狀貝氏體；TiN

Abstract：In order to study the effects of long-term tempering on properties and microstructure， the performance and microstructure changes of 700 MPa high-strength steel in hot rolling and tempering conditions were analyzed using muffle furnace， SEM， EDS， tensile testing machine， and impact testing machine. The results show that there is a significant change in performance after tempering， which is closely related to the hot rolling process. When tempering temperature is 600 ℃ and tempering time is 60 min， the ferrite grows significantly， and the M/A constituent decomposes significantly， reducing strength and improving toughness; When the tempering temperature is 570 ℃ and and tempering time is 65 min， the growth of ferrite is not significant， and the decomposition of M/A constituent is incomplete， which is beneficial for high strength; Granular bainite and fine M/A constituent are the basis for high strength and toughness in 700 MPa high-strength steel. In the presence of large-sized TiN， the transverse impact energy after tempering at -20 ℃ can reach about 100 J.

Key words： 700 MPa; M/A constituent; impact energy; tempering; granular bainite; TiN

0 前 言

回火是消除高強鋼內應力的有效手段[1-3]，從生產效率方面考慮，時間短是批量生產的控制方向，因此回火溫度成為工藝控制的主要方向。回火溫度對高強鋼的性能的影響明顯[4-6]，回火前后性能變化較大時會直接影響合格率。由于成本優勢，

700 MPa級高強鋼的強度離不開鈦的貢獻[7]，同時也有研究認為[8-10]，鋼中大顆粒的TiN夾雜物成為沖擊試驗的裂紋源，降低了鋼板的韌性。本文根據工業化回火時間較長的情況，在實驗室進行模擬回火過程，從組織變化方面分析了回火前后強度變化，并從組織、大尺寸TiN方面分析了回火前后沖擊功變化，為700 MPa高強鋼回火板獲得較好的強韌匹配提供參考依據。

1 試驗材料及回火工藝

試驗材料取自熱軋TMCP工藝生產的700 MPa高強鋼鋼卷，其化學成分如表1所示，回火工藝和熱軋卷取溫度如表2所示。1號和2號試樣均采用低溫卷取工藝為獲得高強、高韌的綜合性能[9]。

2 組織及TiN分析

2.1 熱軋和回火狀態性能分析

檢測1號和2號鋼板熱軋和回火狀態的橫向拉伸性能和沖擊功如表3所示。1號和2號鋼板熱軋和回火狀態的強度和沖擊功均有良好的匹配，但兩個試樣的拉伸和沖擊功呈現兩種不同的變化趨勢。1號鋼板回火后屈服強度下降52 MPa、抗拉強度下降55 MPa、沖擊功提高17.6 J（半試樣），2號鋼板回火后屈服強度上升58 MPa、抗拉強度上升54 MPa、沖擊功下降70.3 J（全試樣）。

2.2 回火前后組織對比

2.2.1 1號鋼板熱軋和回火狀態組織對比

1號鋼板熱軋組織主要為粒狀貝氏體、M/A組元和鐵素體，其中近表面鐵素體較多，厚度中心M/A組元呈一條帶狀分布。圖1 a和圖1b分別為回火前近表面和厚度中心組織。近表面較多的鐵素體主要由于熱軋高溫長時間加熱導致表面存在厚度20 μm左右的輕微脫碳，表面奧氏體穩定性較差，奧氏體向鐵素體轉變的溫度較高，因此軋后上下表面很快出現鐵素體轉變，鐵素體之間未轉變的奧氏體在快速冷卻后轉變成粒狀貝氏體和長度為1 μm左右的M/A組元。厚度中心M/A組元帶寬度不超過10 μm，M/A組元間斷分布在鐵素體上，M/A組元帶的產生可能與中心輕微偏析有關。

1號鋼板回火后組織主要為粒狀貝氏體、鐵素體和回火索氏體。圖1 c和圖1d分別為回火后近表面和厚度中心組織。厚度中心的M/A組元帶回火后大部分分解，變成在鐵素體上分布球狀小顆粒碳化物的回火索氏體，其余位置的M/A組元分解后碳化物聚集在晶界處。回火后鐵素體長大較為明顯，其中近表面的鐵素體晶粒尺寸由3 μm左右長大到5 μm左右。

2.2.2 2號鋼板熱軋和回火狀態組織對比

2號鋼板熱軋狀態組織主要為粒狀貝氏體、條束狀粒貝和M/A組元，少量鐵素體僅出現在表面，與1號鋼板的鐵素體產生原因一致，非表面位置僅晶界處有少量針狀鐵素體。圖2 a是2號鋼板回火前1/4厚度組織。由于卷取溫度較低，在較快的冷卻下，1/4厚度和厚度中心均有條束狀粒貝，大多數條束狀粒貝與粒狀貝氏體交替分布，少量條束狀粒貝以大角度晶界形式緊鄰出現。

2號鋼板回火后鋼板組織主要為粒狀貝氏體、條束狀粒貝和M/A組元。圖2 b是號鋼板回火后1/4厚度處的組織，粒狀貝氏體保持不變，條束狀粒貝保持了原有輪廓形貌，但板條間的殘余奧氏體大幅減少，板條變寬合并，使得板條界限清晰度下降；M/A組元未完全分解，長度2 μm左右的M/A組元分解的碳化物部分球化。

2.2.3 熱軋和回火狀態試樣中TiN對比

TiN是立方體或近似立方體結構，平面圖中大多為棱角分明的長方形或多邊形，微米級大尺寸TiN可在未腐蝕的金相樣中與非金屬夾雜物一起觀察，TiN的顏色為淡金色或淡黃色，與基體和其他夾雜物有明顯區別。圖3是1號和2號鋼板回火前后試樣中TiN（箭頭所指）。1號鋼板回火前后的試樣中TiN的數量都很少，視場可見TiN尺寸≤5 μm，TiN可與D類或Ds類夾雜物復合存在。2號鋼板回火前后的試樣中TiN的數量都很多且較大，以最嚴重視場為例，統計≥10 μm的TiN數量，回火前4個，回火后5個；統計≥8 μm的TiN數量，回火前10個，回火后13個。

3 討 論

3.1 大尺寸TiN對沖擊功的影響

有研究[11]認為，含Ti的Q355E中大量大顆粒第二相粒子（ Nb、Ti） （ C、N） 在晶界聚集，弱化了晶界結合力或在軋制過程中容易與基體的相界面上產生微觀裂紋而導致低溫沖擊性能降低。2號試樣中有較多的大尺寸TiN，雖然回火后有明顯沖擊功降低問題，但回火前后的沖擊功仍能保持在100 J左右，因此2號試樣中大尺寸TiN對沖擊功的影響不是主要因素，這與文獻[12]十分相近。據文獻[13]的裂紋萌生能量與裂紋擴展能量的分配，大尺寸的Ti（C、N）作為微裂紋產生的起裂源主要降低裂紋萌生能量，因此大尺寸TiN只是降低了沖擊試驗過程中裂紋萌生能量，而鋼的組織在裂紋擴展階段具有良好的阻止裂紋擴展的能力，因此大尺寸TiN對沖擊功的影響不大。

3.2 回火前后性能變化原因分析

根據1號和2號鋼板的熱軋工藝和性能，卷取溫度580 ℃和550 ℃都能獲得良好的強韌匹配；熱軋卷取溫度580 ℃可以獲得粒狀貝氏體、細小M/A組元和鐵素體，形狀為近似球形和塊狀的M/A組元細小對裂紋擴展起到阻礙作用，使材料不易因應力集中產生微裂紋，從而提高材料韌性[14]；熱軋卷取溫度550 ℃可以獲得粒狀貝氏體和細小M/A組元，以及少量條束狀粒貝和極少量的鐵素體，條束狀粒貝的形成促進了熱軋性能具有更佳的韌性。

1號和2號鋼板回火后強度變化趨勢出現明顯差異，主要與熱軋工藝和回火工藝不同導致組織變化和析出強化有關。回火工藝為回火溫度600 ℃、回火時間60 min，促進了鐵素體長大，和M/A組元的大量分解，降低了強度提高了韌性；回火工藝為回火溫度570 ℃、回火時間65 min時，鐵素體的長大不明顯，M/A組元的分解程度相對較低，并在回火后促進2號熱軋態鋼板碳化鈦進一步析出提高強度[6]，析出強化提高強度的同時也損失了一定的沖擊功，另外熱軋產生的條束狀粒貝板條間奧氏體分解、板條變寬，降低了強度，但綜合作用下碳化鈦的析出強化作用更大，因此2號鋼板回火后強度提升韌性下降。

結合相關研究[15]和700 MPa高強鋼沖擊試驗結果，組織中含有較多的粒狀貝氏體和細小的M/A組元是獲得優良沖擊韌性的基礎，即便存在較多大尺寸TiN的情況下，-20 ℃橫向沖擊功值依然保持在100 J左右（按全試樣折算，半試樣沖擊功乘以2），因此組織對沖擊韌性影響最大，其次是大尺寸TiN，另外，受沖擊試樣加工去除表面的影響，殘余應力對沖擊功的影響相對較小。

4 結 論

1）回火工藝為600 ℃和60 min時，促進了鐵素體長大和M/A組元的大量分解，降低了強度，促進了韌性提升。

2）回火工藝為570 ℃和65 min時，鐵素體的長大不明顯，M/A組元的分解相對較少，并在回火后促進熱軋卷取溫度550 ℃時抑制析出的碳化鈦進一步析出提高強度，有利于保持較高的強度。

3）粒狀貝氏體和細小的M/A組元為基礎的700 MPa高強鋼回火板中組織對沖擊韌性的影響大，生產中應優先加強熱軋組織調控對沖擊韌性進行控制，回火溫度可以根據熱軋狀態下性能進行選擇，以便獲得最佳的強韌匹配。

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第一作者：康海軍，男，48歲，正高級工程師，

收稿日期：2024-06-25