（材料加工工程专业论文）直接淬火工艺对中厚钢板组织性能的影响.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 直接淬火工艺对中厚钢板组织性能的影响 摘要 本文围绕直接淬火工艺各工艺条件对淬火一回火后组织性能的影响及其与再 加热淬火工艺的比较，采用物理模拟技术和实验室热轧技术相结合的方法，对直 接淬火工艺的机理及其应用进行了研究，取得了以下成果： f 1 1 绘制了实验钢种a 和b 的连续冷却转变曲线，对其采用直接淬火工艺的 可行性进行了分析； f ：) 研究奥氏体再结晶变形、奥氏体未再结晶区变形、冷却速度等各工艺因素 对马氏体和贝氏体金相组织和转变动力学的影响。在奥氏体未再结晶区变形，淬 火后产生形变热处理效果。随变形量的增大，马氏体包尺寸变大，而马氏体束被 分割细化。另外一个显著特点就是当变形量较大时马氏体束发生了明显的弯曲。 因此由形变热处理所导致的力学性能的提高是由马氏体柬的细化和位错密度的提 高所产生的。过冷奥氏体加工变形时，引入的位错组织可以被马氏体继承。但并 非所有应错都能为马氏体所继承，只有能量降低的位错才会有选择的保留在马氏 体之中。 ( 3 ) 对直接淬火工艺与再加热淬火工艺在组织性能方面的差异进行分析比较， 与r q 工艺相比，采用h r + d q 和c r + d q 工艺生产的钢板具有明显较高的强度和 塑韧性能。 ( 4 ) 研究不同的工艺条件对钢板淬透性的影响。h r + d q 和c r + d q 工艺中由 于大量变形的作用，铁素体和贝氏体相变受到了促进，会降低钢板的淬透性。但 在h r + d q 和c r + d q 工艺中，淬火前的加热温度比r q 工艺的高，有更多合金元 素溶入奥氏体中，起到了提高淬透性的作用。两种因素综合作用的结果使得三种 工艺在对淬透性的影响方面差别不大。 关键词直接淬火组织性能控轧控冷形变热处理马氏体贝氏体 i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h ee f f e c to fd i r e c tq u e n c hp r o c e s so n m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f s t e e lp l a t e a b s t r a c t d i r e c tq u e n c h t e m p e rp r o c e s sh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fs t e e l p l a t e i n t h et h e s i s ，t h e r m a l m e c h a n i c a l s i m u l a t i n g t e c h n o l o g ya n dh o tr o l l i n gp r o c e s sw e r ea p p l i e dt os t u d yd i r e c tq u e n c hp r o c e s st of i n d t h ed i f f e r e n c ec o m p a r e dw i t hr e h e a t - q u e n c hp r o c e s s t h em a i nc o n t e n to ft h et h e s i si s i n t r o d u c e da sf o l l o w i n g ： t h ed i a g r a mo fc 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 no f e x p e r i m e n t a ls t e e la a n db w e r es t u d i e dt oc o n f i r mt h ep o s s i b i l i t yt oa p p l yd i r e c tq u e n c h p r o c e s st ot h es t e e l s t h ei n f l u e n c eo f p r o c e s sf a c t o r ss u c ha st h er e c r y s t a l i z i n ga u s t e n i t ed e f o r m a t i o n ， u n r e c r y s t a l i z i n g a u s t e n i t ed e f o r m a t i o na n dc o o l i n gr a t eo dt h em i c r o s t r u c t u r ea n d t r a n s f o r m a t i o ng e n e t i cw e r es t u d i e d t h e r m a lm e c h a n i c a lt r e a t m e n t ( t m t ) e f f e c tt a k e s p l a c ew h e nt h ep l a t ei sq u e n c h e da f t e rd e f o r m i n gi nu n r e c r y s t a l i z i n gt e m p e r a t u r e a s t h ed e t b r m a t i o ni s i n c r e a s e d ，t h ep a c k e ts i z eo fm a r t e n s i t ei sa l s oi n c r e a s e dw h i l et h e w i d t ho fm a r t e n s i t el a t hi sd e c r e a s e dh e a v i l ya n dt h el a t hi sb e n t t h ei n c r e a s eo f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft m te f f e c to w e st ot h ed e c r e a s eo fl a t hw i d t ho fm a r t e n s i t e a n dt h ei n c r e a s eo fd i s l o c a t i o nd e n s i t y t h ed i s l o c a t i o ns t r u c t u r eo fu n r e c r y s t a l i z i n g d e f o r m e da u s t e n i t ec a r lb ei n h e r i t e db ym a r t e n s i t e b u tn o ta l lo ft h ed i s l o c a t i o nc a nb e i n h e r i t e d o n l yt h ed i s l o c a t i o ni n h e r i ta g eb yw h i c ht h ee n e r g yi sd e c r e a s e dc a nt a k e p l a c e c o m p a r e dw i t hr qp r o c e s s ，h r + d qa n dc r + d qp r o c e s sr e s u l ti nm o r ei d e a l s t r e n g t ha n dt o u g h n e s s c r + d q h a st h eh i g h e s t s t r e n g t hl e v e l t h ee f f e c to fd i f f e r e n t p r o c e s s e st ot h eh a r d e n a b i l i t yo f t h ep l a t ew a ss t u d i e d t h e h a r d e n a b i l i t yo ft h ep l a t ew o n l dd e c r e a s ei fh r + d q o rc r + d qi s a p p l i e d ，b e c a u s e h e a v yd e f o r m a t i o nw o u l da d v a n c et h et r a n s f o r m a t i o no f f e r r i t eo rb a i n i t ew h i c hw o u l d d e c r e a s et h eh a r d e n a b i l i t y b u ti nh r + d qa n dc r + d q ，r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eb e f o r e r o l l i n gi sr a t h e rh i g ht h a nw h i c hi sa d o p t e di nr qp r o c e s s ，s om u c h s ot h a tm o r ea l l o y d i s s o l v ei n t oa u s t e n i t et oi n c r e a s et h eh a r d e n a b i l i t y t h er e s u l to ft h et w oe f f e c t si st h a t t h ed i f f e r e n c eo f t h eh a r d e n a b i l i t yo f d i f f e r e n t p r o c e s s e si sr e l a t i v es m a l l i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t k e y w o r d s ：d i r e c tq u e n c h m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t m c p a u s f o r m i n g m a r t e n s i t e ，b a i n i t e 东北大学硕士学位论文声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：媾 走问 日期：2 0 0 3 1 5 东北大学硕士学位论文 1 1 直接淬火工艺简介 1 绪论 钢板作为重要的结构材料被广泛的应用于工程结构建设中。工程上对钢板质 量的基本要求是应能保证构件的安全稳定和易于生产使用。例如，在焊接时要求 钢材在焊接点具有足够的韧性以防止脆性断裂，在容器制造中要求钢材具有抵抗 氢脆裂纹的能力和一定的耐腐蚀能力。这些都是为了保证结构件的安全稳定性。 又例如，为了扩大钢材使用的范围以满足各种不同使用环境的要求( 如严寒气候) ， 要求钢材的碳当量必须足够低。随着人类活动范围的日趋广泛，各种不同的服役 环境对钢材的性能提出了越来越高的要求。正是在这种趋势下，作为对钢铁合金 成分设计的有益的补充和促进，利用热处理工艺技术提高钢材的使用性能和实际 质量证日益受到人们的重视。自1 9 8 0 年以来，水冷型的t m c p ( 或a c i e a c c e l e r a t i n gc o o l i n g ) ，其中特别是直接淬火一回火工艺( d o t ) ，在日本的钢铁生 产中得到了广泛的应用小。表1 1 示出了日本采用水冷型t m c p 工艺和直接淬火 工艺所生产的钢板产量【4 】。 表1 1 日本采用水冷型t m c p ( a c ) 和直接淬火( d 0 ) 所生产的钢板产量( 1 9 8 3 1 9 9 1 ) 旦! 堕! ：! 坠! ! ! ! ! 堕! ! ! ! 坚竺! ! 垒兰21 1 11 堡! 璺g ! ! ! ! ! ! 里旦21 塑! ! e ! ! ! ! ! 堕! ! ! ! p r o d u c t i o n ( x10 3 t ) i nj a p a n s h i p b u i l d i n g o f f s h o r es t r u c t u r e s b u i l d i n g s l i n ep i p e s e a r t hm o v e r s 0 t h e r s 1 _ 0 t a l 2 0 世纪9 0 年代以来，直接淬火一回火工艺在各钢铁工业发达国家得到了迅速 发展。直接淬火一回火工艺省略了传统调质钢制造工艺中的再加热淬火、回火 ( r h q - t ) 等再加热工艺，由于简化了加工工序，使得工艺结构更加紧凑、合理。通 懈姗抛例撕藿 东北大学硕士学位论文1 绪论 过对化学成分的优化和对直接淬火前轧制条件的控制，采用直接淬火一回火工艺 可以获得再加热淬火所得不到的强度和韧性的组合。因此近年来以直接淬火为代 表的各种t m c p 工艺在船用钢板、管线钢、海岸建设用钢以及建筑用钢的生产中 部得到了广泛的应用。表1 2 示出了包括d q 工艺在内的各种a c 工艺在钢板生产 中的应用及其相应的强度级别。直接淬火回火工艺是将热处理和变形结合起来的 工艺过程，是强韧化的一种有效手段。因此，研究直接淬火一回火工艺条件下钢 的组织结构和力学性能的变化具有重要的理论和实际意义。 表12 各种a c 和d e 工艺在钢板生产中的应用及其相应的强度级别( n s c 数据) s h i p b u i l d i n g a cd o t o f f s h o r ea ca c s t r u c t u r ea c ta c t p r e s s u r ev e s s ea c a c t d q t c r d q - t 东北大学硕士学位论文1 绪论 1 2 直接淬火工艺的工艺背景及发展历史 1 2 1t m c p 工艺的内容及其发展 近年来，日本等钢铁工业发达国家在生产具有更高的低温韧性和可焊接性能 的高强度钢板中，广泛采用了被称之为热机械控制工艺的方法，即t m c p f i e t h e r m a lm e c h a n i c a lc o n t r o l l e dp r o c e s s ) 。t m c p 又称为形变热处理，它是一种通过 控制热变形过程来提高材料力学性能的工艺过程f 5 - 2 ”。1 9 5 0 年以前，在钢的形变热 处理方面人们已经进行了大量的研究，并出现了很多相应的工艺方法 5 1 5 】。在这些 工艺方法中，控制轧制和形变淬火( 直接淬火和锻造淬火等) 已在实际应用取得 了成功。控制轧制对高强低合金钢( h s l a ) 的发展起到了重要的作用。本世纪6 0 年代英国人所做的极有价值的研究对控制轧制早期的发展做出了重大的贡献。自 本世纪7 0 年代起，控制轧制的发展则主要集中于日本的几家钢铁公司在这方面所 做的工作。 m i r o t y p eo f p r o c e s s ( t m c pa n dc o n v e n t i o n a l ) t e m p e r a t u r e s t r u c t u r ec ra c ca c t c r - d q t d o t r q t r e c r y s t a i i n o l - n l a ls l a b z e a r e h e a t i n g ；霄刍刍 扣 皇r 多ra u s t e n i t e t e m d e r a t u r e 已霈 n o r m a l i z e i n ， 屙 n o n r e c r v s t a l i 善r 羔rr 孝r 勰i f i | t t |t e m p e r a t u r e i h i l l z e da u s t e n i t e a r 3 i 厕 i m l a u s t e n i t e + 协开 f 丽 飘w 7 1 1 1 1 f e 丌i t e v ，f ，i 。i f l a r l 、| lt l i f f f e r r j t e + i y 饥m留 u强 p e a r l i t e ( r e - r i t e + b a i n i t e ) 图1 1 各种t m c p 工艺与普通热轧生产工艺的比较 f i g u r e 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t m c pa n dc o n v e n t i o n a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s c r ：c o n t r o l l e dr o l l i n g ：a c ：a c c e l e r a t e dc o o l i n g ；d q ：d i r e c tq u e n c h i n g r q ：c o n v e n t i o n a lr e h e a tq u e n c h i n g ；t ：t e m p e r i n g ；r ：r o l l i n g 东北大学硕士学位论文1 绪论 控制轧制、控制冷却和直接淬火的结合是形变热处理的典型例子。采用形变 热处理工艺一般需要改变钢材的合金成分设计，而且通常会降低热变形过程本身 的生产率。但这种加工工艺却降低了合金元素的添加总量，提高了钢材的焊接性 能，保证了钢板的强韧性能，特别是低温韧性的要求，而且通过该工艺能够生产 出具有新的优越性能的钢材。 目前t m c p 工艺可大致分为如下四种。通过对各t m c p 工艺参数的优化可以 获得所期望的使用性能。各不同的t m c p 工艺的主要区别在于冷却速度、终冷温 度和回火温度的差异。各t m c p 工艺与普通热轧生产工艺的比较可见图1 1 ( 1 ) 加速冷却型( a c c e l e r a t e dc o o l i n gi e a c ) t m c p 在该工艺过程中，具有低碳当量的钢板的水冷终止温度被严格控制以获得理 想的强度。根据终冷温度的不同，a c 加速型t m c p 又可分为a c i 型( 终冷温度 3 0 0 以下) 和a c 1 1 型( 终冷温度3 0 0 至6 0 0 。c 之间) 两种。 ( 2 ) 加速冷却回火型( a c c e l e r a t e dc o o l i n g t e m p e ri e a c t 1t m c p 在该工艺中，钢板在冷却到较低的温度后进行回火以求获得更高的强度和韧 性，并使各方向的机械性能均匀一致。 ( 3 ) 直接淬火回火型( d i r e c tq u e n c h t e m p e ri e d q t ) t m c p 这种工艺是在轧后的再结晶温度区间直接淬火并随后回火。与普通的再加热 淬火回火钢相比，直接淬火钢的强度略有下降，这是因为直接淬火钢的加工温度 较高，在淬火前的奥氏体晶粒尺寸相对要大一些，从而降低了淬火后的强度。但 是，由于有更多的合金元素溶入了奥氏体，使得直接淬火钢的淬透性得到了提高。 ( 4 ) 控轧直接淬火回火型( c o n t r o lr o l l d i r e c tq u e n c h t e m p e ri e c r - d q - t ) t m c p 这种工艺是将钢材在奥氏体未再结晶区轧制后直接淬火回火。其主要目的是 为了获得用普通的r q t 再加热淬火回火和d q t 直接淬火回火所得不到的更高 的力学性能，如强度、韧性等。 各种t m c p 工艺条件对钢的金相组织的影响示于图1 2 t m c p 工艺的发展使得合金成分的设计更加灵活，进一步促进了高性能钢材 的发展。实践证明，t m c p 工艺作为一个整体来使用时具有最高的效率和最理想 的效果。t m c p 概念的涵盖范围非常广泛，涉及到对奥氏体组织状态、沉淀析出、 加热后的金相组织和轧制、冷却等工序的全面控制，并且还与合金成分设计优化、 夹杂物去除、除氢、降低偏析等钢铁生产工艺技术有着密切的关系。另外，t m c p 东北大学硕士学位论文1 绪论 工艺所带来的另一个好处就是节省了能源和提高了生产率。t m c p 工艺因其减少 甚至取消了变形后的热处理工序而大大节约了钢材生产的能量消耗，提高了优质 钢材的生产能力。在能源供应日趋紧张的当今时代，这优势具有更加明显的现 实意义。在日本，利用t m c p 生产钢材的工艺技术已经日趋成熟。在不到1 0 年的 时间里，利用t m c p 生产的钢材已经超过了6 ，8 0 0 ，0 0 0 t 。起初，t m c p 钢主要用于 造船业和管线制造当中。但近年来，t m c p 钢的用途日趋多样化。如今，t m c p 钢已被广泛的应用于海上结构建设、高层建筑、桥梁建设和矿山设备制造等国民 经济建设的各个方面。 1 0 0 n 低一强度一高 扩散一相变一切变 医 也j 一 图1 2 各种t m c p 工艺条件对钢的金相组织的影响 f i g u r e l 2t h ei n f l u e n c eo f t m c p c o n d i t i o nt os t e e lm i c r o s t r u c t u r e 1 2 2 用控制冷却的方法生产高强度钢板的发展历史 高强钢板的发展经历了很长的历史。在其发展的初始阶段，强化的手段主要 是通过合金成分的设计和正火、再加热淬火等热处理手段。在本世纪初，人们发 现在较低的温度下轧制可使轧后钢板的铁素体晶粒尺寸减小从而起到强化作用。 这一发现于五十年代开始在工业上得到广泛应用。1 9 5 8 年，美国和欧洲开始发展 铌合金钢。b i s r a 对控制轧制进行了系统的分析，研究了部分再结晶和末再结晶 5 体积分数 东北大学硕士学位论文 1 绪论 奥氏体晶粒尺寸对机械性能的影响。由此，现代控制轧制理论丌始蓬勃兴起。在 这项研究之后，人们还研究了正火钢、调质钢在相变前的控制轧制条件对机械性 能的影响。很久以来人们就已经认识到，改变钢材通过转变温度区的冷却速度可 以改变其金相组织，进而改变其机械性能。但是要想在钢板的工业生产中获得稳 定可靠的控制冷却，还要依赖于先进的控制冷却设备的发展。钢板控制冷却的发 展大致经历了如下三个阶段： ( 1 ) 再加热淬火工艺( r e h e a tq u e n c h i n gp r o c e s s ) 再加热淬火工艺应该算是最早应用的控制冷却技术了。与这之前采用的空冷 正火工艺不同，再加热淬火是将已经热轧空冷后的钢板再次加热、淬火。最早的 台式淬火设备于1 9 3 5 年建成，之后又出现了辊式淬火设备和设置于j 下火工艺之后 的加速冷却设备。再加热淬火工艺将钢板从高温进行水冷，并配之以随后的回火， 能够生产出利用普通的轧后空冷工艺所得不到的具有更高强度和韧性的钢板。但 是再加热淬火工艺缺少对冷却速度的控制，而且通常是对再结晶奥氏体状念的钢 板进行尽可能快速的冷却。这些缺点限制了钢板强度和韧性的进一步提高。 ( 2 ) 再结晶奥氏体的在线直接淬火工艺( o n 1 i n ed i r e c t q u e n c h i n gp r o c e s s f o r r e c r y s t a l l i z e da u s t e n i t e ) 工业上大规模采用的热轧板在线水冷工艺最早出现于1 9 5 6 年的日本。该工艺 被用来生产拉伸强度为6 0 0 8 0 0 m p a 的钢板。这种钢板在热轧后直接放入水箱中进 行淬火，随后进行回火以进一步提高强度、韧性和焊接性能。类似的工艺还见诸 于当时的其他研究报道中。从金属学的角度讲，这些工艺的目的是通过合金成分 的调整以获得回火马氏体，或者是贝氏体和铁素体。它们可被看作是当代加速冷 却工艺的原型。 随后，在六十年代的热轧带钢生产中开始出现了轧后输出辊道r o t ( i e r u n o u t t a b l e ) 冷却工艺。最早的输出辊道加速冷却设备出现于1 9 6 2 年的英国。美 国的j o n e s & l a u g h l i n 钢铁厂于1 9 6 1 年开始对r o t 输出辊道冷却工艺进行了广 泛深入的研究。在当时，人们已经意识到了降低卷取温度c t ( i e c o i l i n g t e m p e r a t u r e ) 有助于获得良好的综合机械性能，但这就要求增加输出辊道的长度。 采用水冷的目的就是为了尽量减少输出辊道的长度以提高冷却效率。通过这些技 术，实现了对热轧板的奥氏体组织的直接水冷。但是从金属学的角度讲，在这种 工艺中奥氏体晶粒在相变之前已经完成了再结晶过程，其对相变后金相组织的细 化作用也很有限。 东北大学硕士学位论丈1 绪论 ( 3 ) 在线加速冷却工艺( o n l i n ea c c e l e r a t e dc o o l i n gp r o c e s s ) 现代在线加速冷却工艺的一个重要的金属学特征就是对变形了的未再结晶 奥氏体或再结晶奥氏体进行控制轧制，可根据不同的需要进行不同的金相转变。 也就是说，可以通过对相变中形桉率、晶粒长大速率和沉淀析出率的控制以获得 更微细的金相组织，进而提高钢板的强度和韧性。该工艺的一个重要的优势在于 由于合金元素添加量的减少，在同等强度条件下，可焊性能得到了提高，并且， 焊接点处的韧性也得到了改善。与其他的冷却工艺相比，钢板的在线加速冷却工 艺具有更强的冷却能力，对水冷前的奥氏体组织状态的控制也更加灵活，这些优 点使得生产具有不同机械性能要求的钢板成为可能，对产品性能的控制更加灵 活。 现在，在线加速冷却工艺已经被世界各钢铁生产国家广泛采用。近年来，借 助于计算机技术的发展，对加速冷却过程中金相组织的变化进行预测以及钢材力 学性能设计这方面的研究正日益受到人们的重视。 1 3 直接淬火回火( d q t ) i 艺的基本机理 1 3 1 直接淬火回火工艺( d q t ) 的发展简介 在2 0 世纪8 0 年代初期开发控制冷却设备的同时，部分设备已经逐渐能够实 现快速冷却，省略了传统调质钢制造工艺中的再加热淬火、回火( r h q t ) 等再加热 工艺，实现了直接淬火、回火q t ) 。这种工艺由于省略了加工工序，使得工艺 结构更加紧凑、合理。另外，通过对化学成分的优化和直接淬火前的轧制条件控 制，还可以获得再加热淬火所得不到的强度和韧性的组合1 2 4 枷】。 在提高钢材强度的同时改善其韧性是人们长期以来不懈追求的目标。以此为 目的的热处理过程称为强韧化处理。强韧化处理最重要和最基本的要求是获得微 细化的晶粒和细小均匀分布的第二相组织。直接淬火回火工艺是将热处理和变形 结合起来的工艺过程，是强韧化的一种有效手段。因此，部分工厂逐渐开始积极 利用该效果。但是，由于各钢种的淬透性的差异，其在直接淬火后的物理冶金效 果也各有不同。 1 3 2 再加热淬火回火钢( 调质钢) 的金相组织和机械性能 直接淬火回火工艺的采用起初是以省略再加热淬火回火工序为目的的。因 东北大学硕士学位论文 1 绪论 此，有必要首先研究再加热淬火回火钢的金相组织和力学性能。 拉伸强度在6 0 0 m p a 以上的钢板的金相组织主要是贝氏体或马氏体。对由再加 热淬火的方法生产的贝氏体马氏体钢，人们已经对其晶体学、相变动力学、沉淀 析出和力学性能等方面进行了深入的研究。钢材的强度随铁素体一上贝氏体一下 贝氏体一马氏体的转变顺序而增强。但是，上贝氏体的韧性较差。根据研究，马 氏体和下贝氏体的混合物具有最好的韧性。这种组织之所以具有良好的韧性，是 因为与全马氏体组织相比它具有更加细小的断裂面( f r a c t u r e f a c e t ) 。同时，由于下 贝氏体对马氏体的分隔效应，进一步提高了韧性。再加热淬火钢的金相组织主要 由化学成分、淬火前的加热温度和钢板厚度( 钢板厚度会影响冷却速度) 决定。 所以在生产中，钢的组织状态主要受加热温度和化学成分的共同影响，而强度主 要受回火温度和时间的影响。通常加热温度都保持在略高于a t 3 的温度来保证奥 氏体晶粒的细小和多边形状态以求获得较好的韧性。钢的淬透性可被认为是化学 成分的函数。而要想获得9 0 以上的马氏体，冷却速度也是一个至关重要的因素。 与铁素体、珠光体相比，调质钢的淬火或回火后的组织是由更加微细的马氏 体或贝氏体组织及碳化物析出组成。如果是马氏体组织，则其主要构成是马氏体 束、马氏体包和其内部所包含的大量高密度位错。如果是贝氏体组织，则其主要 构成是贝氏体和先共析铁素体等，并且在晶界、变形带边界和原奥氏体晶界处可 观察到有碳化物析出。 调质钢淬、回火后的这些组织特点由于其复杂性而难以进行定量的分析，目 前大多停留在定性研究阶段。尽管如此，对调质钢淬、回火组织的研究对组织成 分设计仍具有重要的指导意义。参考大量的研究成果，对于调质钢的强度一般可 定性的给出h a l l p a t c h 关系式，对于其韧性则一般可采用c o t t r e l l p a t c h 关系式。对 强度而言，位错密度和析出强化是主要支配因素，虽然晶界也起作用，但与前二 者相比其作用则较小。对于韧性，则一般由相对于断裂的实际组织的微细程度决 定，即与大角度晶界所包围的结晶单位尺寸的大小有关。例如，如果是马氏体组 织，则由马氏体晶包尺寸决定：如果是贝氏体，则由贝氏体、铁素体晶粒的尺寸 决定。 图1 3 用矢量图的形式表示了组织因素与力学性能的关系。其中图a 是调质钢 组织变化引起的力学性能的变化趋势；图b 是由回火造成的变化。 - 8 东北大学硕士学位论文t 绪论 b 图1 3 淬火回火钢的组织要素和力学性能的矢量模式幽 f i g u r e i 3t h ei l l u s t r a t i o no f t h er e l a t i o n s h i db e t w e e nm i c r o s t r u c t u r ec o m p o n e n t sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr q - ts t e e l a - 金相组织变化对强度和韧性的影响；b 回火引起的强度和韧性的变化 1 3 3 直接淬火一回火( d q t ) 过程中钢的金相组织和强韧性能的变化 对4 ：l n 后的奥氏体再结晶钢进行淬火时，直接淬火的淬透性比再加热淬火的 淬透性一般要高一些，这是因为再结晶后的奥氏体比再加热淬火的奥氏体晶粒粗。 另外，因为直接淬火的加热温度高，合金元素尤其是碳氮化物生成元素等在奥氏 体中均匀固溶，也有助于提高淬透性。并且，直接淬火钢的回火软化抗力也比再 加热淬火钢的大。 对于直接淬火钢来说，淬火前的轧制状态对金相组织和机械性能都有重要的 影响。早在五、六十年代人们就通过研究了解到，直接淬火钢的强度要高于再加 热淬火钢的强度。其原因可归纳如下： ( a ) 与再加热淬火钢相比，直接淬火钢的奥氏体晶粒度要粗一些。这主要与 轧制条件有关。 ( b ) 由轧制的除鳞效果导致了冷却效果的提高。 ( c ) 由于有更多的合金元素固溶导致的淬透性提高。 这些现象和解释都可从对再结晶奥氏体的直接淬火o r d q ( i e o r d i n a r y r o l l i n g - d i r e c tq u e n c h ) 和对未再结晶的加工强化奥氏体进行直接淬火( c r d q ) 的对比实验中得到证实。 但是直接淬火前的轧制条件( 如控制轧制的温度、压下量等) 对直接淬火后 东北大学硕士学位论文 1 绪论 钢材的组织、力学性能的影响会因为各钢种的淬透性的不同而有很大的差异。如 在对未再结晶的加工强化奥氏体进行直接淬火时( c r d q ) ，则会出现如下有趣的 现象： ( a ) 在高淬透性钢种中出现了强度韧性综合机械性能上升的现象。强一韧性 能的提高主要归功于马氏体和上贝氏体。 ( b ) 在低淬透性钢种中出现了强度下降的现象。在低淬透性钢中，铁素体和 上贝氏体数量的增加导致了强度的下降。 轧制温度从高温变为低温时的强度和韧性变化矢量示意图见下图1 4 低淬透性 鼬太 铜种m r 一h r 丌j r h op l r 强厦一 图1 4 轧制条件对直接淬火( d q ) 钢力学性能的影响模式幽 ( 以再加热淬火r h q 为基准) f i g u r e l4t h e i l l u s t r a t i o no f t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o l l i n gc o n d i t i o na n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f d q - t s t e e l 轧制温度：h r ：高：m r ：中；l r ：低( 奥氏体未再结晶区轧制) a - 微量合金元素固溶所引起的淬透性的提高：b 奥氏体晶粒粗化所引起的淬透胜的提高；c - 过冷奥氏体形 变热处理效果( 强化和金相组织微细化) ；d - 铁索体相变引起的淬透性的降低和金相组织微细化 下面分高淬透性钢种和低淬透性钢种两种情况介绍直接淬火回火后钢材金相 组织和力学性能的变化： ( 1 ) 高淬透性钢种的情况 在奥氏体未再结晶区对淬火性高的钢进行强化淬火，将会出现强度提高，韧 性改善的过冷奥氏体形变热处理效果。这是因为热处理后的奥氏体相变成含有高 密度位错的微细的马氏体。在贝氏体相变中也会出现类似的现象。 在很多情况下，c r d q 所造成的强化效果都可以用形变热处理的知识来加以 1 0 - 东北大学砸士学位论丈 解释【3 4 j ： ( a ) 由于被加工强化的未再结晶奥氏体包含有大量的晶体缺陷，如位错、变 形带等，使得相变后的马氏体板条和包块组织得到细化，从而提高了韧性。在奥 氏体未再结晶温度区间的加工会造成奥氏体晶粒内变形带数量的增加，变形带的 密度随着加工量的增加而加大。这些变形带在铁素体形核方面具有与奥氏体晶界 相同的作用。因此，参与形核的奥氏体有效界面积( s 。) 是再结晶晶粒或伸长 后未再结晶晶粒的晶界面积( jvg b ) 和变形带的界面积( s v d b ) 之和。 6 vo v gb 十6 v db( 1 1 ) ( b ) 加工强化奥氏体相变后产生的马氏体板条中含有大量高密度位错。位错 的强化效果明显提高了强度。 ( c ) 含有大量晶体缺陷的板条马氏体在回火后析出微细的合金碳化物，起到 了沉淀强化的作用，从而提高了强度。 由于c r - d q 所造成的马氏体板条细化、变形效果，断裂单位变的更加细小， 韧性提高。t a m u r a 等学者甚至还认为，形变热处理使得马氏体板条的取向变的更 加多样化，这也有助于提高韧性。在回火过程中，由于合金碳化物析出点的出现， 也会提高强度和韧性。 总的柬说，直接淬火钢的强度比再加热淬火钢的要高。如果轧制温度赢，奥 氏体晶粒变粗，其淬透性增高，但同时相变后组织的晶粒尺寸也变大，使得韧性 降低。如果轧制温度降低，则奥氏体的晶粒细化，相变后的组织也得以细化，从 而使韧性获得改善。如果进一步降低轧制温度，在奥氏体未再结晶区进行加工， 则会出现过冷奥氏体形变热处理效果，使得强度和韧性进一步提高。在回火过程 中，在原奥氏体晶界和马氏体包块边界析出碳化物，如果降低回火温度，则这些 碳化物的析出状态会变的均匀而弥散。一般认为，这也会对钢材的强韧化起一定 的作用。 以上高淬透性钢种在直接淬火回火过程中所发生的金相组织、力学性能的变 化是在生产8 0 0 m p a 级以上的高强钢时经常发生的现象。 ( 2 ) 低淬透性钢种的情况 在低淬透性钢种( 如6 0 0 m p a 级高强钢) 的直接淬火回火过程中，再结晶奥 氏体淬火组织及强韧性能的变化表现出与高淬透性钢种相似的情况。但是，如果 进行奥氏体的未再结晶区轧制，则会使钢材的淬透性降低。出现这种现象的主要 原因是奥氏体未再结晶区控n $ 1 , n 的变形效果促进了铁素体在变形奥氏体的晶界 东北大学硕士学位论文i 绪论 和晶粒内变形带处的析出。但是，如果淬透性降低而析出铁素体，则会使残余奥 氏体部分的淬透性升高。例如，对高温轧制后相变成均匀贝氏体的钢种，如果在 控制轧制后直接淬火，会相变成细晶铁素体+ 贝氏体+ 马氏体组织。这种情况与高 温轧制相比其强度有所降低，但是由于金相组织的细化，韧性获得了改善。细晶 粒铁素体的出现，阻碍了贝氏体的生长，使贝氏体晶粒得以细化，对韧性的改善 起了很大的作用。在低淬透性钢种的直接淬火过程中，固溶的n b 、t i 会提高淬透 性。淬透性的提高会增加铁素体和贝氏体混合组织中贝氏体的百分含量，从而提 高强度，并且在回火中由于n b 、t i 碳化物的析出效果，使强度得到进一步提高。 1 3 4 直接淬火工艺中合金元素的作用 直接淬火工艺( o q t ) 必须与控制轧制工艺( c r ) 相结合才能充分发挥其提 高综合机械性能的作用。在c r d q t 工艺中，合金元素对金相转变和机械性能都 有着重要的影响。因此，有必要研究在各工艺阶段合金元素所处的状态和所起的 作用。 ( 1 ) 控制轧制中合金成分的影响 在设计钢的合金成分时，主要应考虑以下两点：即对应于普通合金元素c 、 m n 、c u 、n i 、c r 、m o 的成分最优化和微量添加元素n b 、t i 、v 的有效利用。奥 氏体到铁素体的相变温度a r 3 可以袭达为化学成分的函数，如下式所示： a r 3 = 9 1 0 3 1 0 c 一8 0 m n 2 0 c u 一1 5 c r - 5 5 n i - 8 0 m o 一0 3 5 ( t 一8 1 ( 1 2 ) 在这里，t 表示热轧钢板的厚度( m m ) ，成分为质量分数。 由上式可见，普通合金元素降低了从奥氏体到铁素体的相变温度。a r 3 的降低 扩大了奥氏体未再结晶加工区域，有助于更有效的进行控制轧制。由于a r 3 的降低 还抑制了相变后铁素体的生长，因此对铁素体晶粒细化也有利。碳会降低焊接性 能，因此要尽可能降低碳的含量，由此会引起a r 3 的上升，因此要依靠添加m n 、 n i 、c u 等来控制。 微量添加元素在控制轧制中对下述四个参数，即加热时的奥氏体晶粒、对再 结晶的抑制、相变行为和析出强化有很大的影响。加热时微细的合金析出物 n b ( c n ) 、t i n 、v n 等通过阻止晶界移动而细化晶粒，并且，微量的t i n 析出物可 以有效的控制再结晶后的晶粒成长。固溶在奥氏体中的n b 、t i 能很好的控制加工 后的再结晶，还能将再结晶温度提高1 0 0 以上。这一作用使一般程度的控制轧制 在较高的温度也可以获得。另外，固溶在奥氏体中的n b ，如果相变前的奥氏体晶 - 1 2 - 东北大学硕士学位论文l 绪论 粒足够细的话，则相变时有促使铁素体晶粒细化的附加作用。固溶在奥氏体中的 n b 、t i 、v 在相变时或相变后作为极微细的碳化物、碳氮化物析出，使铁素体的 强度升高。所以，如上所述，微量添加元素是控制轧制所不可缺少的成分。 ( 2 ) 微量添加元素对再结晶的影响 n b 、t i 、v 尽管有程度上的差别，但它们都属于抑制再结晶的元素，其中n b 的抑制效果最大。n b 对再结晶的抑制主要是通过溶入奥氏体和n b ( c n ) 的应变诱 发析出造成的，而后者的效果更加显著。再结晶和应变诱发析出是竞争式的动态 发展过程。加热时未固溶的合金元素成分对再结晶的发展不产生任何影响，但会 抑制再结晶后的晶粒成长。t i 对再结晶的抑制效果比n b 的差一些。v 也表现出较 弱的抑制效果。 ( 3 ) 合金元素对奥氏体加工后相变的影响 如前所述，固溶状态的合金元素会使相变温度降低，使金相组织晶粒细化。 在对结构用钢进行合金成分设计时，必须要考虑焊接性能。简单的说，焊接性能 就是焊接裂纹敏感性，它是用淬透性或与m s 点相关的各种碳当量( c e ) 来评价 的。作为典型的例子有下式成立： c e = c + m n 6 + ( c r 十m o + v ) 5 + ( n i + c u ) 15 ( 1 3 ) 式中各元素的含量为质量百分数。最近在低碳系钢种中，常采用按与c 作用 大小排列顺序的p c m 式来表示： p c m = c + s i 3 0 + m n 2 0 + c u 2 0 + n i 6 0 + c f f 2 0 + m o 15 + v 10 + 5 b( 14 ) 最佳合金成分设计应是尽可能同时降低a r 3 和碳当量。所希望的基本成分为， 低碳( c 含量0 1 5 以下) ，高m n ( 约1 5 ) ，作为辅助元素可单独或复合添加 c u 、n i 等( o 5 以下) 。微量合金元素n b 的固溶量取决于基本成分和轧制条件， 但是从抑制铁素体相变，降低a r 3 的意义上来说它会提高淬透性。合金元素n b 在 控制冷却中可促进贝氏体相变，对此可加以有效利用。除了铁素体+ 珠光体、铁素 体+ 贝氏体钢以外，还可以利用切变型相变使含有位错的铁素体组织强韧化，从而 得到相变强化钢。例如低碳m n m o n b 系针状铁素体钢，超低碳m n n b t i b 系贝 氏体钢等。后者保留了原奥氏体晶界，相变成为具有高密度位错的带状铁素体和 微细马氏体与残余奥氏体的混合组织( m a 组织)