铜对低碳HSLA钢力学性能的影响.doc

铜对低碳HSLA钢力学性能的影响杨才福张永权摘要 研究了不同铜含量对低碳HSLA钢力学性能的影响。结果表明，铜能显著提高该钢的强度，但降低该钢的韧性。铜含量对HSLA钢强韧性的作用受时效温度的影响，提高时效温度可使不同铜含量的HSLA钢的强韧性差异减小。关键词 铜高强度低合金钢力学性能Effect of Cu Content on Mechanical Properites of Low Carbon HSLA Steel Yang CaifuZhang Yongquan(Central Iron & Steel Research Institute, Beijing, 100081)AbstractThe mechanical properties of low carbon HSLA steels with different Cu content are studied in this paper. It is revealed that when the Cu content excesses 1%, the strength of the steel increases remarkably and the toughness decreases slightly. The effect of Cu content on mechanical properties is affected by aging temperature. The differences of mechanical properties among the steels with different Cu content decrease as the aging temperature increases or the impacting temperature decreases.KeywordsCopperHSLA steelMechanical properties低合金钢中添加较多的铜主要用来提高钢的强度和耐腐蚀性能。当钢中的铜含量高于0.6%时，铜在钢中将达到过饱和状态，通过在一定的温度下时效，析出-Cu相，产生沉淀强化，可显著提高钢的强度1。但是，含铜钢在加热和轧制过程中易产生铜脆现象，使钢材表面龟裂。长期以来，铜脆现象一直困扰着含铜低合金钢的进一步发展。80年代以来，含铜钢的研究与应用得到了长足进展。主要标志是美国开发了含铜的HSLA系列船体结构钢，即HSLA80与HSLA100，并在舰船上得到了应用。由此，含铜钢受到材料科学工作者的重视，相应的研究工作蓬勃兴起24。本文拟就铜在低合金钢中的作用，尤其是铜含量和时效温度对低碳HSLA系钢强韧性的影响，进行研究探讨。1试验用钢和试验方法1.1试验用钢在150 kg非真空感应炉中冶炼了4炉不同铜含量的试验钢，将其浇铸成150 kg的钢锭，轧成16 mm厚的钢板。钢的成分如表1所示。表1试验用钢的化学成分(w)炉号CSiMnPSNiCrCuMoNbAls备注10.0580.1560.4450.0120.0180.7950.5790.050.2050.0400.041无Cu钢20.0480.1950.4870.0080.0150.8450.6651.060.2130.0360.054低Cu钢30.0640.2080.4490.0130.0130.9920.5151.180.2400.0370.073中Cu钢40.0600.1740.5250.0100.0160.8500.7281.310.2200.0220.058高Cu钢从钢板上切取试样坯，进行了正火、淬火及时效热处理。正火及淬火处理的加热温度为900，保温1 h，然后分别空冷和水冷至室温。热轧、正火及淬火试样分别经过不同温度的时效处理，时效处理温度范围为550650 。 1.2性能测试拉伸试样为圆棒试样，取样方向垂直于终轧方向；冲击试样为夏比V型冲击试样，取样方向垂直于终轧方向，开槽方向垂直于轧制面，试样尺寸为100 mm10 mm55 mm。1.3组织观察用Neophot-21型光学显微镜观察金相组织。普通组织用4%硝酸酒精溶液腐蚀。M-A组织用Labara试剂着色腐蚀。试剂配比为：1%偏重亚硫酸钠水溶液+4%苦味酸酒精溶液(11)。腐蚀后M-A岛呈白色，铁素体呈灰色，碳化物呈黑色。2试验结果2.1铜对强度的影响图1显示了铜含量对不同状态下试验钢的强度的影响。由图1可见，随着铜含量的升高，不同状态下钢的强度均增加。钢中添加1%以上的铜，热轧状态下钢的强度增加约100MPa；正火状态下钢的强度相对较低，强度增值亦小，由340MPa增加到380MPa，增值40MPa；淬火态的强度最高，强度增加也最大，由430MPa提高到550MPa，增值约110MPa。a)热轧b)正火c)淬火图1铜对不同状态下试验钢强度的影响1-屈服强度2-550时效处理后的屈服强度3-拉伸强度4-550时效处理后的拉伸强度时效处理显著提高了含铜钢的强度。图1表明，550时效后，热轧含铜钢的屈服强度提高100120MPa，拉伸强度提高70100MPa；正火含铜钢的屈服强度提高170195MPa，拉伸强度提高95120MPa；淬火含铜钢的屈服强度增加90150MPa，拉伸强度略有增加。铜含量越高，时效后钢的强度越高，塑性越低。然而，随着时效温度的升高，含铜钢的屈服强度和拉伸强度下降。由图2可见，强度随时效温度的升高而迅速下降。550时效时，不同铜含量钢的强度差约100MPa，而当时效温度升高到650时，强度就相差无几了。可见，铜对强度的影响随着时效温度的升高而减弱。图2时效温度T对含铜钢强度的影响2.2铜含量对韧性的影响铜含量对正火及淬火状态下的试验钢韧性的影响如图3所示。从图3可看出，随着铜含量的增加，钢的韧性下降。各炉钢的韧脆转变特性是不同的。无铜钢的冲击转变曲线斜率最大，随着温度的下降韧性急剧下降，而含铜钢的则降低较慢。因此随着试验温度的降低，不同钢的冲击转变曲线逐渐接近或交叉。在-80时，含铜钢的韧性已接近或达到了无铜钢的水平。时效温度对无铜钢的韧性影响小，但对含铜钢的影响大。随着时效温度的提高，含铜钢的韧性提高得快，无铜钢的韧性提高得慢。因此，随着时效温度的提高，铜对韧性的不利影响相对减弱。a)正火+550时效b)正火+650时效c)淬火+550时效d)淬火+650时效图3试验钢的冲击转变曲线2.3组织分析图4显示了含铜钢热轧、正火、淬火态及经时效处理试样的金相组织。热轧后得到等轴状铁素体PF和针状铁素体AF及M-A岛混合组织(图4a)。热轧组织中铁素体晶粒大小不匀，M-A岛的形态不规则，分布也不均匀，有些呈群岛状分布于铁素体内部，有些则弧立分布于铁素体晶界。试样正火后铁素体晶粒明显细化和均匀化，等轴状铁素体增多，针状铁素体减少，M-A岛在组织中的分布较均匀，此外还出现了一些珠光体(图4c)。淬火态的组织为低碳板条马氏体(图4e)。550时效处理后，热轧和正火试样中M-A岛分解为碳化物，显微镜下观察到其类似珠光体。热轧态的M-A岛组织较为稳定，即使在650时效，也未完全分解。铁素体晶粒在时效前后变化不大(图4b,4d)。淬火试样时效处理后，其马氏体分解，析出碳化物，回火马氏体仍保留板条亚结构形态(图4f)。图4试验钢的微观组织400a)热轧b)热轧+回火c)正火d)正火+回火e)淬火f)淬火+回火3分析与讨论从试验结果可以看出，铜对试验钢的强度和韧性有着举足轻重的作用。铜的含量、过时效的程度都直接影响钢强度的高低。根据Fe-Cu相图6，在900时铜在纯铁中的溶解度超过3%，但在室温下溶解度低于0.35%。在冷却过程中，或在480705之间加热，都会使钢中处于过饱和状态的Cu析出，通常认为这种析出相为-Cu。细小的-Cu析出相具有强烈的沉淀强化作用，大大提高了钢的强度。含铜钢的时效曲线都存在一个峰值，在峰值温度下钢的强度或硬度最高。本试验钢的时效峰值温度约为500，在此温度下-Cu的析出量达到最大。随着时效温度的提高，-Cu颗粒逐渐长大。在本试验条件下，试验钢均处在过时效状态，随着时效程度的加深，钢的强度下降，韧性提高。在时效过程中，除发生铜析出外，还进行着不稳定相的分解、碳化物的析出。一方面铜析出导致硬化，另一方面不稳定相分解导致软化，时效后钢的强度的升降取决于何种因素起主要作用。无铜钢经淬火+550时效后，由于没有铜的沉淀强化，故不稳定相的分解导致钢的强度降低。含铜钢经淬火+550时效处理，其拉伸强度与淬火态的大体相当，说明此时两种作用基本相等，相互抵消。多数情况下，铜的析出强化作用大于不稳定相分解的软化作用，所以时效后钢的强度比时效前的高。在进入过时效状态后，提高时效温度，铜的过时效程度增加，-Cu颗粒长大，不稳定相分解产生的碳化物也聚集长大，这两种作用都使得钢的强度降低。所以提高时效温度，钢的强度下降，韧性上升。4结论(1)铜含量对低碳HSLA钢的强韧性有明显影响。Cu含量增加，钢的强度提高，但韧性有所降低。(2)铜在时效析出后，HSLA钢的强度可大幅度提高，含铜1%以上时，在铜时效析出后，HSLA钢的屈服强度比时效前的提高150200MPa，拉伸强度提高160170MPa。(3)时效温度是影响低碳HSLA钢力学性能的关键因素。在其时效过程中，一方面不稳定组织分解导致软化，另一方面铜析出导致硬化，两种因素的共同作用决定了时效后钢的力学性能。时效温度越高，合金元素对力学性能的影响越小。作者简介：杨才福：男，1965年生，高级工程师，1990年钢铁研究总院硕士研究生毕业，现从事低合金钢的研究开发工作。作者单位：钢铁研究总院北京100081参考文献1冶金部钢铁研究总院.合金钢手册(上册).北京：中国工业出版社，1971.1482Jesseman R J， et al. J Heat Treating, 1984,3(3):2283L