铜对低碳HSLA钢力学性能的影响

1、铜对低碳HSL用冈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HSL用冈力学性能的影响。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HSL用冈强韧性 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 HSLAffl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 SteelYang Caifu Zhang Yongquan(Central Iron & Steel Research Institute, Beijing,

2、100081)AbstractThe mechanical properties of low carbon HSLAsteels withdifferentCucontent are studied in this paper. It is revealed thatwhen the Cu content excesses 1%, the strength of the steel increases remarkably and the toughness decreases slightly. The effect of Cu content on mechanical properti

3、es 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.Keywords Copper HSLA steel Mechanical 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

4、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 e。 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HSL总列船体结构钢，即HSLA8g 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'2F。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 HSLAS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15

5、0 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10.0580.1560.445 (0.0120.0180.7950.5790.050.2050.0400.041无Cu钢20.0480.1950.487 (0.0080.0150.8450.6651.060.2130.0360.054低Cu钢30.0640.2080.449 (0.0130.0130.9920.5151.180.2400.0370.073中Cu钢40.0600.1740.525

6、 (0.0100.0160.8500.7281.310.2200.0220.058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900C，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 C。1.2 性能测试拉伸试样为圆棒试样，取样方向垂直丁终轧方向；冲击试样为夏比 V型冲击试样，取样方向垂直丁终轧方向，开槽方向垂直丁轧制面，试 样尺寸为 100 mm< 10 mm< 55 mm1.3 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验肖酸洒 精溶

7、液腐蚀。M-A组织用Labara试剂着色腐蚀。试剂配比为：1%|重业 硫酸钠水溶液+4溶味酸洒精溶液(1 : 1)。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19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340MP醐加到380MPa增值40MPa淬火态的强度最高， 强度增加也最大，由430MP别高到550MPa增值约110MPaf 5 o i 0,51.5ME/%a）热轧枇Tb）正火0070

8、08o u,&MO州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- 550C时效处理后的屈服强度3-拉伸强度 4- 550C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，550C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。550C时效时，不同

9、铜含量钢的强度差约 100MPa而当时效温 度升高到650C时，强度就相差无几了。可见，铜对强度的影响随着时 效温度的升局而减弱。7G0-部部态 550 600S5077%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幔。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义。在-80C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

10、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+550C时效颂130 1010 30 一50 7G y(ib）正火+650C时效c）淬火+550C时效40 200 一20 6。用。一JOGT/rd）淬火+650C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，有些呈群岛状分布丁铁素体内部，有些则

11、弧立分布丁铁素体晶界。 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） o550C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650C 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 条业结构形态（图4f） 0图4试验钢的微观组织 400Xa）热轧 b）热轧+回火 c）正火 d）正火+回火 e）淬火f）淬火

12、+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，在900C时铜在纯铁中的溶解度超过 3%但在室温下溶解度低丁 0.35%。在冷却过程中，或在480705C之间加热，都会使钢中处丁过 饱和状态的Cu析出，通常认为这种析出相为 £ -Cuo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 500C，在此温度下£ -Cu的析出 量达到最大。随着时效温度的提高，&

13、amp; -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丁何种因素起主要作用。无铜钢经淬火 +550C时效后，由丁没有铜的沉淀强化，故不稳定相的分解导致钢的强 度降低。含铜钢经淬火+550C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 化作用大丁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 局。在进入过时效状态后，提高时效温

14、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HSL用冈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，HSL用冈的强度可大幅度提高，含铜1%Z上时, 在铜时效析出后,HSL用冈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HSLAffl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， 1971.1482 Jesseman R J, et al. J Heat Treating, 198