（材料加工工程专业论文）bni复合添加的低合金高强度钢调质工艺的研究.pdf

山东火学硕i j 学位论文 摘要 低合金高强度钢( h i g hs t r e n g t hl o wa l l o ys t e e l ) 是典型的低碳低合金结构 钢，它是通过微量合金元素的添加，利用细晶强化和沉淀析出强化等原理而生产 的具有较高的强度、韧性和良好的焊接性能的一种钢材。它在建筑、桥梁、船舶、 管线、海洋石油平台等领域有着广泛的应用。但是，目前生产的热轧低合金高强 钢的低温冲击韧性较低，韧脆转变温度较高，尚不能满足高寒、高纬度地区的使 用要求。热处理作为提高材料性能的重要手段，广泛应用于钢铁材料的生产中。 因此通过适当的热处理方法，提高低合金高强度钢的冲击韧性，特别是低温冲击 韧性，对于扩展该钢材的使用范围具有重要的意义。 本课题研究了淬火以及回火工艺对硼镍复合添加的含铌h s l a 钢组织性能 的影响规律，确定了最佳的调质处理方案，得到了强度5 0 0 m p a 左右，伸长率 2 5 左右的具有良好强韧性配合的钢材。特别是在低温冲击韧性方面，通过调质 处理后的试验钢，其韧脆转变温度下降到7 0 。c 以下，在9 0 。c 时，其冲击功 仍在1 0 0j 左右。利用硼( 1 0 p p m ) 和镍( o 5 ) 在热处理中的复合作用，在成 本增加不大的情况下，达到了3 5 n i 钢的性能水平。 本文首先通过热物理模拟试验得到试验钢的相变温度及c c t 曲线；并通过 淬透性试验确定了淬透层深度。然后通过对淬火温度、淬火保温时间以及回火温 度三个工艺参数的调整，通过大量试验，利用金相法研究了各个工艺参数对钢材 组织的影响规律，制定了最佳的热处理工艺方案。最后实施具体方案，通过硬度 试验、拉伸试验以及系列温度冲击试验对调质后的钢材进行了力学性能检验。利 用光学显微镜、扫描电镜、x 射线衍射、高分辨透射电镜以及能谱分析等方法， 对调质后试验钢的组织、相组成以及二相粒子的分布、形貌和成分进行了分析。 结果发现，回火后在晶界析出的复杂碳化物对于抑制再结晶晶粒长大有重要影 响，细小弥散的晶界碳化物没有使韧性降低，反而可能抑制裂纹在晶粒之间的传 播，提高钢材的韧性。 关键词：调质；h s l a 钢；低温冲击韧性；力学性能；微观结构 山东人学硕l 学位论文 a b s t r a c t h i 曲s t r e n g t hl o wa l l o ys t e e li sat y p eo fl o w c a r b o nl o w a l l o ys t r u c t u r a ls t e e l ， w h i c h , 弱ar e s u l to fg r a i nb o u n d a r yh a r d e n i n ga n dp r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n gw i t hm i c r o a l l o y i n g , e x h i b i t sh i g hs t r e n g t h ，h i g hi m p a c tt o u g h n e s s ，g o o dw e l d a b i l i t y , a n dg r e a t r e s i s t a n c 。et oc o r r o s i o n h s l as t e e li sw i d e l yu s e di ns t r u c t u r e st h a ta r ed e s i g n e dt o h a n d l el a r g ea m o u n t so fs t r e s so rn e e dag o o ds t r e n g t h t o w e i g h tr a t i o ，s u c ha s o f f s h o r ed r i l l i n gp l a t f o r m s ，b r i d g e sa n dl a r g es h i p s h o w e v e r , m o s th o t r o l l e dh s l a s t e e l sc a l ln o tp r o v i d eh i g hi m p a c tt o u g h n e s sa tl o wt e m p e r a t u r ed u et ot h e i rr e l a t i v e l y l l i g hf r a c t u r ea p p e a r a n c et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ( f a t t ) ，a n dt h u sd on o tp e r f o r mw e l l i ne x t r e m e l yc o l dr e g i o n s h e a tt r e a t m e n ti so f t e na s s o c i a t e dw i t hi n c r e a s i n gt h e s t r e n g t ho fm a t e r i a l ，e s p e c i a l l ys t e e l s ，s i n c et h e yr e s p o n dw e l lt oc h a n g eo f t e m p e r a t u r e o u rr e s e a r c hg r o u ph a su s e dh e a tt r e a t m e n to na n o v e lh s l as t e e lt o i n c r e a s ei t si m p a c tt o u g h n e s s ，s p e c i f i c a l l yt h el o w t e m p e r a t u r e - i m p a c t t o u g h n e s s t h e r e f o r e , t h ei m p r o v e m e n ts i g n i f i c a n t l ye x t e n d st h es c o p eo fa p p l i c a t i o n so ft h e s t e e l i no u rr e s e a r c h ，w eh a v ed i s c o v e r e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s a n dt h ep r o p e r t i e so ft h en i o b i u ma d d e dh s l as t e e l e v e n t u a l l y , w i t ha no p t i m i z e d q u e n c h i n g - t e m p e r i n gs c h e d u l e w eh a v ep r o d u c e dan e wt y p eo fs t e e l 、i t hat e n s i l e s t r e n g t ha ta b o u t5 0 0 m p a e l o n g a t i o na ta b o u t2 5 t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h e s t e e l ，e s p e c i a l l yt h el o w t e m p e r a t u r e i m p a c t - t o u g h n e s sh a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d ，a s t h ef a t to ft h es t e e li sb e l o w 一7 0 0 c ，a n di m p a c tt o u g h n e s si sa b o u t10 0 ja t 一9 0 0 c a l o n gw i t ht h eh e l po fc o m p o u n de f f e c to fb o r o n ( 1o p p m ) a n dn i c k e l ( o 5 ) ，t h e n e wt y p eo fs t e e li sa b l et or e p l a c e3 5 n is t e e li nc e r t a i nc i r c u m s t a n c e ss i n c ei ti s m u c hm o r ec o s te 伍c i e n t i nt h i sp a p e r , w ef i r s tb u i l tu pac c t ( c o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o n ) d i a g r a m u s i n gt h e r m a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed i a g r a m ，w ea r e a b l et od e t e r m i n et h ep h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo ft h es t e e l a f t e ra q u e n c h i n gt e s t a n dah a r d n e s st e s t ，t h ed e p t ho fh a r d e n i n gw a sm e a s u r e d b yv a r y i n gp a r a m e t e r so f q u e n c h i n ga n dt e m p e r i n g ，w es t u d i e dh o wq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m eo f m a i n t a i n i n g , a n dt e m p e r i n gt e m p e r a t u r ei n f l u e n c e dt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h es t e e l s o a no p t i m u mq u e n c h i n ga n dt e m p e r i n gp r o c e s sc o n t r o lw a so b t a i n e d h a r d n e s st e s t s ， i i i a b s t r a c t , , ii i 皇曼曼曼曼曼蔓曼! 曼皇皇曼皇曼皇曼曼曼量曼曼皇曼曼曼曼! 曼舅 t e n s i l et e s t sa n di m p a c tt o u g h n e s st e s t sa tas e r i e so fl o wt e m p e r a t u r e sw e r ep e r f o r m e d a f t e r w a r d st of u r t h e re x a m i n et h er e s u l t s e v e r a lc h a r a c t e r i z a t i o nt e c h n i q u e sw e r e u s e dt oa n a l y z et h em i e r o s t r u c t u r e s ，p h a s ec o m p o s i t i o n ，a n dd i s t r i b u t i o no fs e c o n d p h a s ep a r t i c l e s o ft h es a m p l e ，i n c l u d i n gs e m ，t e m ，x r da n d p h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tc o m p l i c a t e di n g r e d i e n tc a r b i d e sg e n e r a t e d a l o n gg r a i nb o u n d a r i e sa f t e rt e m p e r i n gc o n s i d e r a b l yi n h i b i tg r o wo fg r a i n sd u r i n g r e c r y s t a l l i z a t i o n t h o s ef i n ed i s t r i b u t i v ec a r b i d e sd on o td a m a g et h et o u g h n e s so ft h e s t e e l h o w e v e r , m e yh a v ep r e v e n t e df r a c t u r e sf r o ms p r e a d i n g c o n s e q u e n t l y , t h e t o u g h n e s so f t h es t e e li se n o r m o u s l yi n e r e a s e d k e y w o r d s ：q u e n c h i n g a n dt e m p e r i n g ；h s l as t e e l ； l o w t e m p e r a t u r e - i m p a c t - t o u g h n e s s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；m i c r o s t r u c t u r e i v 山东大学硕上学位论文 曼曼鼍曼皇曼曼舅舅i i i i 皇皇皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼曼曼蔓曼曼! 曼曼曼曼量曼皇曼曼曼曼量曼量曼曼曼曼曼曼舅量曼曼皇量曼曼寡曼曼 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 1 1 1 课题的背景 高强度低合金钢( h i g hs t r e n g t hl o wa l l o ys t e e l s ) 是在低碳钢的基础上，加 入如s i 、m n 、c r 、n i 、t i 、v 、c u 等少量合金元素，提高强度，并通过改变不 同合金元素来含量改善其使用性能的一类工程结构用钢。使用低合金高强度钢代 替普通碳素结构钢可在相同承载能力的条件下，减轻结构的自重，节约钢材达四 分之一的水平，而成本与碳素结构钢不相上下，因此使用低合金钢代替碳素结构 钢在经济上具有重要意义。 低合金高强度结构钢自身有其特殊的性能特点，包括： 高强度 合金元素可强化铁素体( 固溶强化) 、细化晶粒、增加珠光体数量( s 点左 移) 和弥散强化等。 具有良好的塑性、韧性和低温性能 低合金高强度结构钢含碳量低，加入合金元素量少，因此不会明显降低塑性 和韧性。一般低合金高合金钢的冷脆转变温度很低，约3 0 0 c 良好的焊接性能 低合金高强度钢的含碳量低，合金元素量也少，塑性较好，因此不易在焊缝 区产生淬火组织和裂纹，而铌、钛、钒等元素也会抑制焊缝区晶粒的长大。 良好的耐腐蚀性能 由于低合金结构钢中的铬、磷、铝、钼及其它元素的复合作用，低合钢一般 具有较好的耐腐蚀性能。 常用的低合金高强度结构有q 4 6 0 、q 4 2 0 、q 3 9 0 、q 3 4 5 、q 2 9 5 ，分为a 、b 、 c 、d 、e 五个等级。而q 3 4 5 e 的特点为这种钢具有良好的综合力学性能和焊接 性能，用于制造船舶、桥梁、车辆、大型容器、大型钢结构。 通常低合金高强度钢含碳量很低，而通过少量多种合金元素的复合作用提高 钢的塑性、韧性。而本课题则是希望通过热处理手段，进一步提高新型山钢q 3 4 5 e 的性能，尤其是低温韧性。 本课题组在之前的工作中通过b 微合金化，已经使该厂成为了国内首家可 第一章绪论 以生产e 级h 型钢的企业，而后又使用了b n i 复合的方法进一步使该钢中的脆 性转变温度低于了5 0 0 c 。由于之前的新型钢中组织仍是以铁素体+ 珠光体组织为 主，而通常耐低温钢大多以调质作为最后的热处理工艺，组织为回火马氏体。因 此，该钢中应当具有进一步开发其强韧性的潜力。 本课题的主要研究内容为调质工艺，并以提高该钢种的综合性能，尤其是低 温冲击韧性为目的。该研究建立在校企合作的平台之上，研究成果可以服务于生 产，增加了企业的自身技术水平，因此对于提高经济效益和社会效益有重要意义， 而课题本身也进一步探讨了热处理工艺对低合金高合金钢的影响，具有学术价 值。 1 1 2 选题的意义 钢以其低廉的价格、可靠的性能成为世界上使用最多的材料之一，是建筑业、 制造业和人们日常生活中不可或缺的成分。可以说钢是现代社会的物质基础。2 0 世纪末2 1 世纪初随着中国经济的崛起，全球钢铁工业掀起又一轮发展高潮，产 量突破了l o 亿吨，预计在不久的将来就会达到1 5 亿吨。 低合金钢强度钢是结构钢中非常重要的一种钢材。2 0 世纪5 0 年代，为节约 合金元素，曾采用热处理的方法以获得强度和韧性的良好匹配。6 0 年代，开始 了称之为微合金化和控n * l n 生产的新阶段，出现了一些新的钢种。至7 0 年代， 发展成熟的微珠光体钢和无珠光体钢、针状铁素体钢、超低碳贝氏体钢、热轧双 相钢以及低碳马氏体钢在油气输送管线、深井油管、汽车钢板等领域中得到推广 应用。到8 0 年代以后，低合金结构钢已经成为工程结构材料中最重要和常见的 钢铁材料之一。 通常低合金结构钢对低温韧性的要求没有很高要求，在低温领域中习惯于采 用高镍铬合金钢等造价很高的钢种。因此，开发价格低廉的低合金低温用合金钢 材能够大幅节约工业生产成本，具有很高的经济价值。 山东莱芜钢铁集团有限公司是我国规模最大，规格最全的h 型钢精品生产 基地。其中，热轧h 型钢获“中国名牌产品”称号。近几年，我们课题组在与莱 钢集团的合作过程中，开发出一种新型的，低温韧性良好的低合金钢强度h 型 钢。该钢种的各项指标都达到了低合金高强度钢的基本要求，而低温冲击韧性尤 为突出，其脆性转变温度达到了7 0 0 c 以下。该项目获得了山东省冶金科技进步 奖。 2 山东人学硕十学位论文 但由于上述新型钢种仅仅是在调节合金元素成分的基础上对钢材的性能进 行改进。我们认为，利用钢材性能提高最常用的热处理，理论上仍有可能对其性 能进行进一步地改进。 由于钢对于温度的变化的敏感性，在固态下将其加热到某一温度使其发生相 变，然后采用特定的冷却方式可以改变其内部组织。这种工艺可以强化金属材料 充分发挥其潜能，从而达到节约材料，降低成本，改善加工工艺性能等目的。 本文首先通过热物理模拟试验得到了试验钢的相变温度及c c t 曲线，通过 淬透性试验确定了淬透层深度。之后采用大量热处理试验研究热处理各个工艺参 数对钢材组织的影响规律，制定出最佳的热处理工艺方案。最后通过一系列力学 性能试验对调质后的钢材进行了性能检验。 1 2课题来源 本课题所研究的钢材来自莱钢集团的基于q 3 4 5 e 成分的大h 型钢，钢种经 过了硼镍复合添加。本课题组研究了热处理对这种改良后的h 型钢的组织和性 能的影响规律，从而制定出对于该种钢最佳的热处理工艺参数。 1 3 课题研究内容 1 使用g l e e b l e 热模拟试验机，通过热模拟获得此新型钢种的a c 3 温度 以获得c c t 曲线。 2 不断调整热处理过程中淬火温度，淬火保温时间和回火温度三个参 数，进行大量热处理实验，然后使用金相法研究热处理过程如何影响 该钢种的组织变化，总结出最佳热处理工艺。 3 通过硬度试验、拉伸试验以及系列温度冲击试验检验调质后钢材的力 学性能，检验优化后的调质工艺。 4 使用材料微观组织分析手段，进一步分析热处理后试验钢组织，对实 验进行总结。 1 4 课题难点 1 由于该课题的试验用钢是以q 3 4 5 e 为基础，对其进行了元素改造的新型 低合金钢，因此相变温度的变化要求我们必须重新对其进行精确测量， 绘制相应的c c t 曲线。 2 该试验钢的碳含量不足o 2 ，如此低的碳含量很难保证淬火过程能够完 3 第一荦绪论 成得彻底，淬火组织是否均匀都是需要注意的问题。 3 由于合金元素复杂，淬火温度也需要不断调整，得到的组织非常复杂， 因此组织分析过程也是一个比较困难的工作。 1 5 课题的研究方法 1 通过热模拟获得新型钢的相变温度曲线，根据改变热处理过程，得到最 佳的调质工艺，通过硬度试验、拉伸试验以及v 型缺口夏比冲击试验等 力学性能试验检验热处理工艺的有效性。 2 通过金相分析s e m 、t e m 、x 射线衍射、高分辨透射电镜以及能谱分析 等材料分析方法对调制后试验钢进行微观结构分析，得到组织对性能影 响的机理。 4 山东大学硕 ：学位论文 第二章文献综述 2 1 引言 本文的研究重点是通过对低合金高强度钢的组织分析和性能检测，寻找最佳 的调制工艺参数。本章介绍的内容包括热处理工艺的作用，低温用钢的研究现状， 钢中元素的作用以及性能指标和实验技术。 2 2 热处理工艺的作用 钢的热处理是在固态下将钢加热到一定温度，保温然后以某种方式冷却从而 改变组织获得所需性能的工艺。通过热处理可以大大强化金属材料的潜能，而简 单的热处理工艺在我国古代时就已经被广泛使用。 热处理工艺的种类很多，但包括普通热处理和表面热处理两大类。其中普通 热处理包括了退火、正火、淬火及回火。其基本过程都是由加热、保温和冷却三 个阶段组成的。而热处理之所以能使钢的性能发生改变，是由于加热和冷却过程 中其内部组织转变的结果，因此我们需要对首先研究钢在加热和冷却过程中的组 织织转变规律。 p 、 鬻 稍 图2 一l 加热和冷却相变线在铁碳相图上的位置 由铁碳f e f e 3 c 相图可知，碳钢在缓慢加热或冷却时在p s k 线、g s 线、e s 线要发生相应的组织转变，在热处理与热加工中用a l ( p s k 线) 、a 3 ( g s 线) 、 5 第二章文献综述 氏m ( e s ) 线来表示f e f e 3 c 相图的平衡转变临界线。但在实际热处理时，加热 和冷却都不可能是非常缓慢的，因此组织转变温度都要偏离平衡转变温度。即加 热时偏向高温，有过热现象，冷却时偏向低温，有过冷现象。而且加热、冷却的 速度越快，偏离平衡转变临界温度越多。通常将加热时的转变临界线用a c l 、a e 3 和a c 啪表示；而冷却时的转变临界线用a r 卜a t 3 和觚m 表示。图2 1 为各相变 线在f e f e a c 相图上的位置示意图。钢的相变点是制定热处理工艺参数的重要依 据【l 】。而将淬火和高温回火相结合的热处理通常称为调质处理。 2 2 1 钢的淬火 淬火是将工件加热到a c l 或a c 3 点以上某一温度，保温一定时间，使其奥氏 体化后以大于淬火临界冷却速度进行冷却，获得马氏体组织的热处理工艺( 有时 是为了得到贝氏体组织) 。但许多情况下，淬火后的马氏体性能并不能满足使用 要求，因此淬火后还要经过回火，以获得不同的回火组织与性能后使用。这种情 况下，淬火是为之后的回火组织做准备的【2 1 。 淬火工艺包括几个关键的参数，根据钢种的类型和调整这些参数可以满足不 同的性能需求，它们分别是： ( 1 ) 淬火加热温度：主要根据钢的含碳量多少依据f e f e 3 c 相图来定。 ( 2 ) 保温时间：通常指工件装炉后，从炉温提升到淬火温度算起，到出炉 为止所经历的时间，它包括工件热透和组织充分转变所需的时间。保温时间主要 根据钢的成分( 合金钢、高碳钢保温时间较长) 、加热介质( 金属浴、盐浴炉短， 空气炉长) 、工件形状与尺寸( 形状复杂要预热) 、装炉的情况( 装炉量、工件摆 放于间隙) 、炉温等确赳3 1 。 保温时间很难根据生产条件来构造一个公式准确的计算出来，需要根据实际 生产情况，总结经验公式或查热处理手册得出。 ( 3 ) 淬火冷却介质：淬火冷却过程非常关键，既要保证淬火工件可以获得 马氏体，又要尽可能降低淬火的内应力，减小淬火的变形与开裂。考虑到淬火应 力的存在，常用的淬火冷却介质有水、油、盐或碱水溶液、盐浴等。 ( 4 ) 淬火方式：由于目前的淬火介质中，常常都无法满足我们对冷却速度 的要求，因此为了弥补淬火介质本身的不足，我们需要采用不同的淬火方式尽可 能地减少淬火应力带来的危害。常见的方式有单液淬火、双液淬火、分级淬火、 等温淬火和局部淬火 4 1 。 6 山东大学硕十学位论文 2 2 2 钢的回火 所谓回火是将淬火钢重新加热至a l 点以下的某一温度，保温一定时间后冷 却至室温的一种工艺操作。如前所述，在淬火过程中，钢中的过冷奥氏体转变为 马氏体，并残留部分残留奥氏体。马氏体和残留奥氏体极不稳定，在使用过程中 会发生转变，引起工件尺寸和形状改变。此外，淬火钢硬度高、脆性大、具有较 大的内应力，不宜直接使用。回火的目的就是降低淬火钢的脆性，减小或消除内 应力，是组织趋于稳定并获得所需要的力学性能。 钢在淬火后进行回火，则回火决定了钢在使用状态的组织、性能。由于淬火 钢中的马氏体和残余奥氏体并不是稳定组织，因此有向平衡态铁素体和渗碳体转 变的趋势，回火加速了这个转变的过程。淬火钢在回火时组织转变分为4 个阶段： 1 马氏体分解( 2 0 0 0 c 以下) 在1 0 0 0 c - - 2 0 0 0 c 时，马氏体内的过饱和碳原子以碳化物的形式从马氏体 中析出，这时马氏体含碳量过饱和度降低。碳化物极分散地分布在马氏体基体 上。这种含碳量降低了的马氏体和s 碳化物回火组织称为回火马氏体。在这个过 程中，钢的淬火内应力降低，韧性得到改善。但由于碳化物析出且与马氏体保 持了共格关系，这种弥散强化作用使钢的硬度并未明显降低。 2 残余奥氏体转变( 2 0 0 - 3 0 0 0 c ) 在这个阶段，马氏体继续分解，随着碳化物的增多长大，马氏体碳含量过 饱和程度进一步下降。残余奥氏体转变成下贝氏体。淬火内应力进一步下降。虽 然马氏体分解使得硬度降低，但残余奥氏体的分解使得硬度升高，总体上钢的硬 度变化不大。 3 碳化物转变( 2 5 0 - 4 0 0 0 c ) 随着回火温度升高至2 5 0 0 c 以上，马氏体继续分解出碳化物直到过饱和碳 原子全部被析出，这时马氏体最终转变为铁素体。直到3 5 0 0 c 左右，碳化物逐 步转变为极细的稳定碳化物f e 3 c ，这一过程的转变直到4 0 0 0 c 结束。到此时， 不稳定相都转变为了稳定相的铁素体和渗碳体。这一阶段回火组织是铁素体和极 细小渗碳体的混合组织。钢的淬火应力消除，硬度降低，塑性、韧性提高。 4 渗碳体聚集长大与铁素体的再结晶 在4 0 0 0 c 以上时，渗碳体颗粒聚集并长大。铁素体回复形成正常铁素体。温 度升高到6 0 0 0 c 时铁素体发生再结晶，由细小马氏体形态的铁素体晶粒转变长 7 第二章文献综述 大，形成较大的等轴状铁素体晶粒，它与粒状渗碳体形成的混合组织成为回火索 氏体。在这个过程中，钢的强度、硬度都降低，但是塑性韧性却明显增加。 按照回火温度范围不同，钢的回火可分为低温回火、中温回火、高温回火三 种，应根据对工件性能的不同要求选择回火种类。其中高温回火的温度范围为 5 0 0 6 5 0 0 c ，回火后组织为索氏体，主要应用于w c 为o 5 - - 0 7 的碳钢和合金 钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、齿轮、连杆、螺栓等。其硬度为 2 5 h r c 3 5 h r c ，具有适当的强度与足够的塑性和韧性，即良好的综合力学性 能。生产上习惯将淬火并高温回火称为“调质处理”【5 1 。 是，淬火的钢在4 5 0 - - 一6 0 0 0 c 回火后慢冷， 图2 2 钢的力学性能与回火温度 就出现冲击韧度下降的现象，重新在此的关系 温度回火然后快冷，冲击韧度又会提高。如果再次在此温度回火并慢冷，脆性又 再次出现。由此可见第二类回火脆性具有可逆性，所以又称可逆回火脆性。 发生第二类回火脆性的主要原因是，在4 5 0 - 6 0 0 0 c 加热后慢冷的过程中，发生 了微量杂志元素p 、a s 、s b 、s n 等向原奥氏体晶界偏聚，因而引起晶界弱化造 成的。钢中含有n i 、c r 、m n 等合金元素时，加速这种偏聚过程，更容易出现第 二类回火脆性 6 1 。钢中加入w m 0 0 5 或w w l ，强烈阻碍有害元素的偏聚，可以 基本上消除这种回火脆性。重新在此温度加热，这些元素又会从晶界处散开【7 】， 在快冷时来不及在晶界处偏聚，就不呈现脆性。此外，采用在a i a 3 温度区间 加热淬火工艺( 亚温淬火) ，奥氏体化后组织中残留有少量的铁素体，p 、a s 、 s b 、s n 等杂质均优先溶入铁素体中，而不进入奥氏体，淬火后马氏体中也几乎 山东人学硕i j 学位论文 不含有这些杂质，因此可以基本避免第二类回火脆性的危害【引。 2 3 低温用钢研究现状 低温钢是指适于在0 。c 以下应用的合金钢。能在1 9 6 0 c 以下使用的，成为 深冷钢或超低温钢。低温用钢按晶体点阵类型一般可分为体心立方的铁素体低温 钢和面心立方的奥氏体低温钢两大类。 铁素体低温钢一般存在明显的脆性转变温度，当温度降低至某个临界值( 或 区间) 会出现人形的突然下降。含碳o 2 碳钢冲击值与温度的关系，其转变温 度在2 0 左右。因此，铁素体钢不宜在其转变温度以下使用，一般需加入m n 、 n i 等合金元素，降低间隙杂质，细化晶粒，控制钢中第二相的大小、形态和分 布等，是铁素体钢的脆性转变温度降低【9 】。铁素体低温钢按成分分为三类： ( 1 ) 低碳锰钢( c o 0 5 , - - , 0 2 8 ，m n 0 6 2 ) 。m n c 约等于1 0 ，减少氧、 氮、硫、磷等杂质，有时还加入少量铝、铌、钛、钒等元素细化晶粒。这类钢的 0 最低使用温度约为6 0 0 c 。 ( 2 ) 低合金钢。主要包括了低镍钢( n i 2 - - , 4 ) 、锰镍钼钢( m n 0 6 1 5 ， n i o 2 1 0 ，m o o 4 - - 0 6 ，c 三，o 2 5 ) 、镍铬钼钢( n i 0 7 3 o ，c r o 4 2 0 ，m o o 2 o 6 ，c 郢2 5 ) 。这些钢种的强度要高于低碳钢，最低使用温 度可以低至1 1 0 0 c 左右。我国研制出的节镍低温用低合金钢有0 9 m n 2 v 等。 ( 3 ) 中( 高) 合金钢。其中有6 n i 钢、9 n i 钢和3 6 n i 钢，其中9 n i 钢是 其中应用最多的深冷用钢。这类高镍钢的使用温度可达到1 9 6 0 c 2 4 钢中合金元素的作用 2 4 1 基本元素的作用 碳：是钢中最重要的成分，碳量增加则钢中珠光体量增加，会使5 0 f a t t ( 脆性转变温度) 上升。因此在生产中为提高材料的韧性往往采用在该钢种允许 的成分范围内降低碳含量，由此产生的强度下降则由增加成分中锰含量来弥补 0 0 l o 锰：是很重要的合金化元素。锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体 的硬度和强度。锰除了降低钢的共析温度外，也强烈地降低钢的马氏体转变温度， 其作用仅仅次于碳。因此说锰能扩大奥氏体相区，使点升高、a 3 点下降。由 于a 3 温度下降，使先共析铁素体在更低的温度下析出而细化。同样，由于a 3 9 第二荦又l l i | i 练述 温度下降，抑制了碳化物在过冷奥氏体晶界上析出，使钢保持较高的塑性，并降 低钢的韧性脆性转变温度【1 。 锰显著地降低钢的心l 温度和奥氏体分解速度。这具体影响到钢的温度转变 曲线，并增加了钢的淬透性，其对调质处理的良好作用主要是降低钢的加l 温度 和增加钢的淬透性。 硅：是我国低合金钢中主加元素。硅在钢不形成碳化物而固溶于铁素体，固 溶强化作用很强，仅次于碳、氮、磷而超过其它元素，从而显著地提高钢的强度 和硬度，同时降低钢的韧性，提高韧脆转变温度。并且硅会提高钢的a c 3 温度； 含硅钢一般要求较高的淬火和退火温度【1 2 】。硅对钢的淬透性影响中等，但对提 高钢的回火稳定性有很大好处。 磷：是钢中的有害杂质。由于其偏析倾向严重，在比较少的含量状态就可以 造成危害。磷对钢铁材料的低温性能非常有害，目前普遍认为磷是引起钢的低温 脆性的主要元凶。磷在钢中的偏析倾向比较严重，造成带状组织，使钢的力学性 能不均，特别是那些低温用钢、海洋用钢和抗氢致裂纹钢要求含磷量小于0 0 1 或者0 0 0 5 。 硫：是绝大多数钢种中( 除易切削钢外) 的有害杂质。硫在钢中的偏析系数 在所有元素中最大，增加夹杂物颗粒，易于造成夹杂物裂纹，使工艺性能和使用 性能都受到损害。对于航空用钢、石油和天然气输送管线钢、海上采油平台用钢 等，必须严格控制硫含量，以保证必要的韧性【1 3 l 。 2 4 2 所添加元素的作用 铌：铌在周期表中和钒同族，因此在钢中的作用和钒、钛、锆类似，和碳、 氮、氧都有极强的亲和力，与之形成相应的极为稳定的化合物。其作用主要是细 化晶粒，提高晶粒粗化温度，降低钢的过热敏感性和回火脆性，在一定的存在状 态下，提高钢的强度和韧性及对蠕变的抗力【1 4 1 。 试验证明，钢中加入0 0 5 的铌，就可以使其晶粒细化，并使其晶粒粗化温 度提高到1 0 5 0 。c 以上f 1 5 】。固溶在奥氏体中的微量的铌，可以推迟先共析铁素体 的析出，并大大延迟奥氏体开始分解为珠光体的时间；但对奥氏体到贝氏体的转 变则几乎没有什么影响。同时它也使从奥氏体转变为珠光体和贝氏体最快时的温 度有所提耐1 6 1 。 在低碳普通低合金钢中，铌会降低钢的淬透性和淬硬性，铌之所以能同时提 l o 山东大学硕 ：学位论文 高低碳低合金钢的强度和韧性，主要是它细化钢的晶粒和固溶入铁素体使之强 化，以及碳化铌和氮化铌沉淀强化的结果【i 。当碳含量很低而铌含量又超过0 5 时，并可由金属间化合物拉氏相( n b f e 2 ) 的弥散析出而产生更强的沉淀强化作 用 i s 】。 硼：硼在周期表中位于第二周期并紧挨着碳排在前面。它和氮、氧都有很强 的亲和力，和碳能形成碳化物b 4 c 。硼的突出作用是仅需要极少的量( o 0 0 1 ) 就可以成倍地增加的钢的淬透性。微量硼有使钢奥氏体晶粒长大的倾向，并且能 延长奥氏体分解转变的孕育期，因此使等温转变的开始曲线向右移【1 9 】。 硼提高钢淬透性的作用也受到钢中碳含量的影响。当钢中碳含量超过0 9 0 时，硼增加钢淬透性的作用将完全消失1 2 0 1 。而硼之所以能够增加钢的淬透性， 主要是它在晶界上降低了晶界的能量，因而阻抑铁素体晶核的形成，降低了先共 析铁素体和上贝氏体晶核的形成率，延长了奥氏体分解转变的孕育期。一旦先共 析铁素体和上贝氏铁素体的晶核形成，硼对它们的长大即不再发生什么影响【2 。 如提高硼淬火温度，虽然钢的晶粒长大，但硼原子向晶粒内部扩散，因而对 钢淬透性的影响将减弱，甚而消失【2 2 】。不像其他增加钢淬透性的合金元素那样， 硼对钢淬火成马氏体后的抗回火软化作用没什么影响。因此，与不含硼而淬透性 相似的合金钢比，为了得到相同的强度，含硼钢需要采取较低的回火温度或较短 的回火时间。另外，硼有增加钢回火脆化的倾向，但其作用较锰和铬弱。 微量硼对钢淬火回火后力学性能的影响，与不含硼而其他成分相同的钢相 比，大致是，在低温回火后，强度有所提高，但在高温回火后，没有明显差别。 对塑性来讲，无论低温或高温回火后，均略有提高【2 3 1 。 硼在钢中的主要用途是增加钢的淬透性，从而节约其他较稀缺贵重的合金元 素，如镍、铬、钼等。为了这一目的，其含量一般规定在0 0 0 1 o 0 0 5 范围之 内。根据试验数据统计，此种微量的硼可代替1 6 的镍，0 3 的铬，或o 2 的 剧2 4 1 。 镍：镍和碳不形成碳化物，它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。在这方 面的作用仅次于碳和氮。但由于镍在钢中的含量可以远高于碳和氮，效果反较碳 和氮更为显著和突出。镍与铁以互溶的形式存在于钢中的0 【相和y 相中，使之强 化，并通过细化a 相的晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性。镍由于降低临界 临界转变温度和降低钢中各元素的扩散速度，因而提高钢的淬透性。 弟审文献综述 镍作为一种稀缺的合金化元素，应该只在不能用其它元素来获得所需要的性 能时，才考虑使用它。譬如需要在高强度时具有高韧性的重要用途的结构钢，在 低温工作条件下具有高韧性的钢等。 在液态和固态时，镍和铁能以任何比例互相溶解。在固态时，镍扩大铁的丫 相区，也就是使点升高，a 3 点降低。 镍使铁碳系平衡相图上的共析点向左下移，也就是说它降低钢中共析珠光体 的碳含量和钢的临界转变温度。而镍对钢的力学性能的影响也是通过它对相变和 显微组织的影响而产生的。它降低钢低温脆性转化温度。这对低温用钢有极重要 的意义。目前，常用的钢含镍0 5 9 。其中含n i 量0 5 左右的钢材在经过 适当的工艺处理后，可以在6 0 0 c 条件下使用。国外4 0 - - 6 0 0 c 工况，低温用钢 一般选用0 5 n i 钢。法国、德国、英国、日本等都提出了含n i 低温钢的标准。 2 5 1 普通q 3 4 5 钢在不同的冷却速度下的转变产物包括铁素体、珠光体、贝氏体 和马氏体，其中马氏体的转变范围非常大，当冷速大于0 5 0 c s 时即出现贝氏体， 其形成温度大约4 5 0 - 、一6 0 0 0 c 2 6 1 2 5 主要指标和试验技术 2 5 1 性能指标要求 国标关于q 系列低合金高强度钢的强度、塑性，以及低温韧性的要求见表。 表2 一lg b f r l 5 9 1 2 0 0 8 低合金高强度结构钢关于拉伸和冲击的质量要求 牌号 下屈服强度( 1 )抗拉强度( i k )断后伸长率( a )- 4 0 0 c v 型冲击功 旭 q 3 4 5 3 4 54 7 0 - - 6 3 0 芝2 1 3 4 q 3 9 0 3 9 04 9 0 6 5 0 2 0 3 5 q 4 2 0 4 2 05 2 0 - - 6 8 0 之1 9 3 4 q 4 6 0 4 6 05 5 0 - 7 2 0 1 7 3 4 q 5 0 0 5 0 06 1 0 7 7 0 芝1 7 三3 l q 5 5 0 5 5 0 6 7 0 8 3 0 芝1 6之3 i q 6 2 0 6 2 07 1 0 8 8 0 之1 5之3 l 2 5 2 1 热力物理模拟技术 热力物理模拟实验是一种采用热模拟试验机进行的实验研究。热模拟试验机 是动态热形模拟试验设备，它可以动态地模拟金属受热及变形的过程。现在的热 1 2 山东人学硕j j 学位论文 第三章性能参数的测定及试验工艺方案的制定 3 1 引言 如前所述，为了进一步提高钢材的强度、塑性、韧性，我们需要进行必要的 热处理过程。淬火是提高强度的常用方法，但钢材强度的提高往往又伴随着塑性、 韧性的下降。本课题研究的主要目的是提高试验钢的冲击韧性，尤其是低温冲击 韧性。为此，我们需要研究出一种合适的热处理工艺能使钢种在具有较好的综合 力学性能的前提下，同时具有出色的低温冲击韧性性能。 淬火后高温回火处理( 调质处理) 是提高钢材韧性的有效方法，本章将从实 验钢的成分出发，通过必要的检测手段，测定试验钢的性能参数，然后再参照热 处理手册制定出试验方案。本试验的试验钢成分如表3 1 所示： 表3 - 1 ：改进的q 3 4 5 试验钢化学成分 cs im npsn in bb q 3 4 5 + b + n i 0 1 4o 1 91 - 3 20 0 1 20 0 0 50 4 60 0 2 10 o 0 0 5 3 2 热模拟试验及c c t 曲线 为了得到淬火及回火的工艺方案，我们首先要测定该钢种的相变温度以及不 同冷却速度下形成的相，因此我们利用了热模拟试验测出了其a c 3 温度，然后绘 制出了其c c t 曲线。 3 2 1 加热时奥氏体相变温度a e 3 的测定 首先，在确定加热温度的问题上，我们既要使钢加热的温度高于相变温度， 又不能使钢发生过热或过烧，因此需要找到其发生相变时的温度。实验时，只要 略高于相变温度一定值即可。 这里采用的方法是利用钢的热胀冷缩性质来测定其相变温度的原理。钢在不 发生相变时，膨胀量与温度近似呈线性关系，直到当达到一定温度，钢发生相变 时，才会因为相变导致钢的体积发生变化，在膨胀量温度曲线上就会出现拐 点，由此可知拐点处温度便是相变温度。而下一处拐点的温度则是相变完全的温 度。 图3 1 是一条试验钢q 3 4 5 e l 的膨胀量与温度关系曲线。从图中我们可以看 出，相变的初始温度a c l 大约在7 7 0 0 c ，相变完全时的温度a c 3 大约是8 5 0 。c 。 1 9 第三章性能参数的测定及试验t 艺方案的制定 1 1 0 c s i 。 i ： ，一一 夕 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 07 0 07 5 0 8 0 0a 5 0 9 0 09 5 0 l o o o l 0 5 a l o o l l 5 0 1 2 0 0 1 2 5 讲o xt e m p e r a t u r e 图3 - 1 ：q 3 4 5 e l 的膨胀量韫度曲线 3 2 2c