耐候钢热处理双相化组织与性能_图文

1、耐候钢热处理双相化组织与性能赵田臣,樊云昌(石家庄铁道学院机械工程系,石家庄050043摘要:研究了铁路机车车辆用的两种热轧耐候钢经热处理双相化后的金相组织及各种力学性能。结果表明,耐候钢双相化后的显微组织由多边形等轴铁素体晶粒和不规则岛状马氏体组成,且原始组织对其有很大影响;两种热轧耐候钢双相化热处理前后的显微组织和力学性能均无明显的各向异性。研究发现,双相化加热温度对马氏体含量、铁素体晶粒大小、屈服现象、屈服强度、抗拉强度、屈强比、伸长率及加工硬化指数(n 值等双相化后钢的组织和性能均有显著影响。根据试验结果,确定的耐候钢最佳热处理双相化工艺为780加热,10%NaCl 水溶液淬火。本研究

2、成果将为进一步采用控制轧制法进行耐候双相钢的生产奠定基础。关键词:双相化热处理;耐候钢;双相钢;力学性能中图分类号:U 27014+1;TG 142141;TG 14211文献标识码:A 文章编号:025426051(2001022*Microstructures and Properties of WeatheringSteels after Dual 2phase H eat T reatmentZHAO Tian 2chen ;FAN Yun 2chang(Mechanical Engineering Department ,Shijiazhuang Railway Institute

3、,Shijiazhuang Hebei 050043,China Abstract :The microstructures and mechanical properties of two weathering steels used in railway rolling stocks after dual 2phase heat treatment are studied 1The metallographic testing results show that the microstructures of the weathering dual 2phase steels consist

4、 of e 2quiaxed polygonal ferrite matrix and island 2shape martensite ,the sizes and the morphology of which are greatly affected by the original microstructures of the two as 2rolled steels ,and that the microstructures of the steels are basicall y isotropic both before and after dual 2phase treatme

5、nt 1It is found that the heating temperature in the dual 2phase treatment has significant influences on microstructures and properties of the weathering dual 2phase steels ,such as the volume fraction of martensites ,the yield behavior ,the YS ,the U TS ,the ratioof YS to U TS ,the elongation ,the s

6、train hardening coefficent (n value ,etc 1According to the results of the metallographic and mechani 2cal tests ,the optimum dual 2phase heat treating process 2quenching at 780into the brine of 10%wt NaCl is finally determined 1The achievments of this study will lay a foundation of the research on t

7、he production of the weathering dual 2phase steels by controlled 2hot 2rolling process 1K ey w ords :dual 2phase heat treatment ;weathering steel ;dual 2phase steel ;mechanical properties作者简介:赵田臣(196316,男,河北人,副教授,硕士,主要从事金属材料学的教学和科研工作,已发表论文20余篇,获省、部级奖励3项。电话:0311*转35471基金项目:铁道部科学基金(J98Z141收稿日期:2000204

8、2061引言双相钢是一种低碳低合金高强度钢,其显微组织主要由铁素体(F 和马氏体(M 组成,故又称之为马氏体双相钢。该钢具有极佳的力学性能,与普通低碳低合金结构钢相比,双相钢具有屈服强度低、抗拉强度高、无不连续屈服现象、加工硬化指数(n 值高、均匀变形伸长率和总伸长率大、综合力学性能好等特点。这些性能特点使得其板材冲压件能在满足冷成形性能的同时具有很高的强度。这不仅解决了长期存在的冲压构件冷成形性与其强度之间的矛盾,而且使构件的重量大幅度减轻。因而双相钢在美国、日本等国外的汽车工业上得到了广泛应用。耐候钢是一类耐大气腐蚀的钢种。钢中含有少量Cu 、P 、Cr 、Ni 等合金元素,属低碳低合金钢

9、,已广泛用于制造机车车辆、桥梁、房屋等各种金属结构件。我国用于机车车辆车体结构件的耐候钢主要是09CuPCrNi 和09CuPTiRE 。耐候钢之所以具有优良的耐大气腐蚀性能,主要与其含有Cu 和P 有关。Cu 对钢材耐候性的影响最为显著,是耐候钢的必需元素,在与P 的配合下其效果更佳。耐候钢的含碳量一般都很低,但常含有Cr 、Ni 、Ti 等合金元素,使其获得适当的强度和韧性。稀土元素的加入可细化耐候钢的晶粒,提高其冲击韧度,特别对提高低温冲击韧度有利。目前,我国铁路客、货车辆车体的结构件大多是由耐候钢板经冷冲压和焊接而成的。然而,随着对车辆高速化、轻量化的要求日益迫切,用于制造车辆的板材不

10、仅要求具有良好的耐候性,以满足车辆经受风吹雨打、阳光暴晒及温度变化大的恶劣服役条件,同时,还要求所用板材既具有较高的强度从而可以大幅度减小板厚降低车辆自重,又具有较高的塑性和较大的加工硬化指数,以满足加工制造过程中的冷成形性。如上所述,双相钢具有优良的力学性能,而耐候钢具有良好的耐大气腐蚀性能,若能将耐候钢进行双相化处理得到耐候双相钢,则该钢将兼有双相钢和耐候钢的优良特性。耐候双相钢在机车车辆上的应用不仅可以降低车辆制造成本,减轻车体自重,为提速提供有利条件,而且还将节约运营能耗,减轻钢轨和路基的载荷。可见,耐候双相钢在铁路客、货车辆制造上的应用是车体材料创新的重要途径之一,必将有着广阔的市场

11、前景及十分可观的经济效益和社会效益。但据资料检索,目前国内外尚未见有关对铁路车辆用耐候双相钢进行系统理论研究和应用研究的报导。有些单位虽作过有关双相钢车钩的探索性试验,但所用钢材并非耐候钢,且在深度和广度上与国外及国内其他部门相比还存在较大差距。所以,进行耐候钢的双相化研究具有重要的实用价值。按照物理冶金学原理,有许多方法可以使低碳低合金钢双相化。但根据生产设备条件和生产成本的可行性,目前生产双相钢的工艺方法主要有两种,即热处理法和控制轧制法。本文是采用热处理方法对耐候钢进行双相化热处理,以研究热处理耐候双相钢的力学性能及其与内部组织结构的关系。2试验方法试验所用09CuPCrNi(厚度为4m

12、m和09CuPTiRE(厚度为6mm两种热轧耐候钢板由太原钢铁(集团公司提供,其化学成分如表1所示。为了系统地研究耐候钢双相化后的力学性能,分别在两种耐候钢板上沿与轧制方向成0、45及90方向取样,将0取向的4组拉伸试件在中温盐浴中分别加热到760、780、800和820,保温10min后在10%NaCl 水溶液中淬火,以得到不同体积含量的马氏体双相组织。对经双相化处理的试件,按G B3076282和G B5028285加工试件,在日本岛津A G225TA万能材料试验机上进行力学性能试验,以研究淬火温度与耐候双相钢的屈服强度、抗拉强度、屈强比、伸长率及加工硬化指数之间的关系;通过金相分析,研究

13、淬火温度与马氏体体积含量之间的关系;根据所得到的数据,分析其冷冲压性能,从而确定获得最佳综合力学性能的热处理工艺。然后,按此工艺将45及90取向的拉伸试件进行双相化处理并进行力学性能试验,研究钢的各向异性,以进一步验证最佳热处理工艺,并分析耐候钢热处理双相化的可行性,为进一步研究采用控制轧制法生产耐候双相钢奠定基础。3试验结果及分析311耐候双相钢的显微组织形态表1试验用耐候钢的化学成分(质量分数,%T able1The composition of the steels(w t,%钢种C Si Mn P S Ni Cr Cu Ti RE Fe09CuPCrNi 09CuPTiRE 01070

14、10601420128014101400108801 0730102201012012701010148010101340128-0101-0113余量余量为了分析耐候双相钢的力学性能与其组织形态特别是其与马氏体组织形态的关系,本文对两种热轧耐候钢在双相化处理前后的组织变化进行了研究。图1是热轧耐候钢原始显微组织的金相照片。可以看出,两种钢的显微组织均由铁素体和珠光体组成。由于钢中含碳量很低(0107%,所以组 织中仅有少量的珠光体,且在先共析铁素体基体的晶粒之间呈不规则块状或条状分布。从照片中还可以看出,09CuPCrNi钢的组织与09CuPTiRE的组织相比,无论是铁素图1试验用热轧耐候钢

15、原始组织500(a09CuPCrNi钢(b09CuPTiRE钢Fig11The microstructure of the steels before quenching体还是珠光体晶粒均比较细小。这是由于两种钢板的成分、厚度不同,致使热轧后的相对冷却速度不同造成的。图2是两种钢经780加热淬火双相化处理后的金相显微组织。可以看出,两种钢双相化后的组织均由铁素体和马氏体组成,其中的马氏体在铁素体晶界上呈不规则岛状均匀分布,且岛状的长轴方向与铁素体晶界方向平行。这是因为,转变为马氏体的原奥氏体形态受其在双相区加热保温时长大过程的控制。由于双相区加热保温的温度较低,体扩散速度图2耐候钢780双相化

16、显微组织500(a09CuPCrNi钢(b09CuPTiRE钢Fig12The microstructure of the steels after quenching at780相对较慢,扩散过程以晶界扩散为主,所以奥氏体沿铁素体晶界的长大速度较高,而向铁素体内长大的速度较低,导致形成不规则的、长轴与铁素体晶界平行的岛状奥氏体,进而使得由其转变而成的马氏体也呈这种分布状态。另外,从照片中还可以看出,双相化处理前的原始组织严重地影响着处理后的耐候双相钢组织,即原始组织较细的09CuPCrNi 钢,经处理后得到的双相组织仍较细小。这是由于在铁素体晶粒和珠光体领域均较细小的原始组织中,加热时奥氏体

17、形核率较大,因而转变而成的奥氏体晶粒也较细小,进而,经淬火后由奥氏体转变而成的马氏体岛也会较细小。这必将有利于钢的力学性能的提高。相反,原始组织较粗的09CuPTiRE 钢,双相化处理后得到的马氏体则以较大的岛状分布在晶粒较粗的铁素体基体上,这种组织形态必然会对其力学性能产生不利的影响。312耐候双相钢的力学性能图3是09CuPCrNi 钢板热轧状态及780加热淬火双相化状态拉伸试验结果。可以看出,经双相化处理的钢板尽管其塑性有所降低,但却仍具有相当高的伸长率; 屈服强度虽处于较低的水平,但抗拉强度却有大幅度的提高,从而使钢的屈强比明显下降、加工硬化指数显著提高。另外,从图中还可以看出,两条曲

18、线有着迥然不同的屈服现象,即热轧状态试件的拉伸曲线上出现了不连续屈服现象,且屈服后的应力值随应变上升得较缓慢;而经双相化的试件则呈现连续屈服现象,且屈服后曲线上升较快。可见,耐候双相钢具有较高的加工硬化速率(d /d和较高的形变硬化指数(n 值。耐候双相钢加工硬化指数的提高,意味着钢材具有更大的应变均匀分配能力,加之其所呈现的连续屈服现象,就使耐候双相钢具有十分优良的冷冲压成形性能。用其制作的深冲结构件将具有各部壁厚均匀、表面光洁度好、成品率高的特点。双相钢呈现连续屈服现象并具有较低的屈服强度,可能与马氏体相变的体积膨胀及切变形状变化对周围铁素体产生高应力的挤压作用,从而诱发大量位错有关。另外

19、,在加热保温时碳向奥氏体中扩散,并被淬火冷却限定在马氏体之中,减小了双相钢中铁素体变形时碳原子对位错的钉扎作用。这些内在机制都使钢的屈服强度降低并呈现连续屈服现象。图309CuPCrNi 钢热轧态与780双相化状态的拉伸试验曲线11双相化状态21热轧状态Fig 13The stress 2strain curves of 09CuPCrNi steel before and after quenching at 780综上所述,耐候钢进行双相化处理后,其塑性虽有所降低,但其强度仍能在较大的塑性变形下大幅度地提高,从而使屈强比明显降低。这样,采用耐候双相钢制作车辆冲压结构件,不仅可在保证构件强度

20、的前提下,减小板材厚度,节约钢材,而且还能提高其使用安全性,并显著提高其冷冲压成形性能。313耐候双相钢的各向异性为了研究经热处理双相化后热轧耐候钢的各向异性,在钢板上截取拉伸方向与轧制方向夹角为0、45及90的3种试件,经780加热2盐水淬火双相化处理后进行拉伸试验。从表2的试验结果中发现,3种试件的拉伸性能没有明显的差别。这说明耐候钢板经双相化处理后不呈现明显的各向异性。一般而言,热处理双相钢的各向异性是由其原始组织决定的,如果原始组织在各个方向上存在明显的各向异性,则热处理双相化后的组织会将原始组织的各向差异遗传下来,从而使其性能呈现各向异性。从图1所示的照片中可以看出,热轧耐候钢的铁素

21、体呈不规则多边形,没有明显的方向性,这是由于钢在奥氏体区的终轧温度较高,变形了的奥氏体得到了充分的再结晶,因而使冷却后的组织无明显的方向性。从图2可以看出,双相化处理后的组织方向性也不明显,所以耐候双相钢的力学性能基本上是各向同性的。然而,在用热轧法生产双相钢时钢材是否存在各向异性,尚需作进一步的试验研究。表2耐候双相钢各向异性试验结果T able 2The anisotropy of the steels after quenching 钢种方向012/MPab /MPas /%n 值09CuPCrNi004590221722112019314耐候钢双相化热处理最佳工艺的确定G B41712

22、84对热轧状态09CuPCrNi 钢的力学性能作出了规定,如表3所示。根据试验用钢的化学成分,将4组试样分表3耐候钢热轧态的力学性能T able 3The mechanical properties of 09CuPC r Nias 2rolled steel钢号交货状态s /MPa b /MPa s (%09CuPCrNi热轧29443124别在中温盐浴炉中加热到760、780、800及820保温10min 后在10%NaCl 水溶液中淬火,以得到不同体积含量马氏体的双相组织,并对热处理后的试样进行拉伸试验,结果如图4所示。从图中曲线可以看出,钢材双相化后的屈服强度和抗拉强度随淬火加热温度的

23、升高而增加,而塑性却随淬火加热温度的升高而降低。同时还可以看出,以相同淬火温度双相化处理的09CuPCrNi 钢均比09CuPTiRE 钢具有较高的强度和较大的伸长率。这是由于前者原始组织较细且含有较多的合金元素,使双相化后的组织较细并使各相组织具有较高的强度所致。图5是09CuPCrNi 和09CuPTiRE 两种钢双相化后马氏体体积分数与淬火加热温度的关系,图6是09CuPCrNi 钢经820加热淬火后的显微组织照片,与图2a相比可以看出,马氏体体积含量随加热温度的升高而明显地增加。较高的加热温度可以得到较多含量的马氏体,是使耐候双相钢的强度随双相化温度的升高而增加、塑性随双相化温度的升高

24、而降低的内在原因。 图4耐候双相钢的力学性能与淬火温度的关系1109CuPCrNi 钢抗拉强度2109CuPTiRE 钢抗拉强度3109CuPCrNi 钢伸长率4109CuPTiRE 钢伸长率5109CuPTiRE 钢屈服强度6109CuPCrNi 钢屈服强度Fig 14The relationship between mechanicalpropertiesand quenching temperatures 图5耐候双相钢马氏体体积含量与淬火温度的关系 Fig 15The relationship between martensitevolume and quenching tempera

25、ture 图609CuPCrNi 钢820淬火双相化组织500Fig 16The microstructure of 09CuPCrNi steelafter quenching at 820500表4所列数据为耐候钢经不同温度双相化处理后的n 值及屈强比值。从表中数据可以看出,两种钢双相化处理后的n 值均随着加热温度的升高而降低,屈强比则随着加热温度的升高而增加。另外还可以看出,在相同条件下,与双相化的09CuPTiRE 钢相比,双相化的09CuPCrNi 钢的n 值较高,而屈强比较低。要确定耐候钢双相化热处理的最佳工艺,必须考虑其双相化处理后的综合力学性能,使处理后得到的耐候双相钢,既能保

26、证其在服役过程中具有较高的强度和较好的塑性,又能保证其在冷加工成形过程中具有较高的n 值和较低的屈强表4不同加热温度淬火后的n 值及屈强比值T able 4The n 2value and 012/b of the steels钢种760780800820n 值012/b015270163901541016620155301670注:209CuPCrNi ,209CuPTiRE 1比值。这样,用其制造的车体结构件,不仅具有良好的使用性能,而且具有很好的加工制造工艺性能。根据这一原则,参考表3内国标规定的耐候钢各项力学性能标准和本文的试验结果,确定出的耐候钢最佳双相化热处理工艺为:780加热保温

27、,盐水淬火。表5是两种耐候钢按此工艺进行双相化处理后的力学性能与相应热轧状态力学性能的比较。从表中的数据可以看出,双相化使钢材的抗拉强度明显提高(双相化后的09CuPCrNi 钢和09CuPTiRE 钢分别提高了3815%和4719%,屈强比显著下降(分别下降31%和1714%,加工硬化指数(n 值大幅提高(分别提高了4218%和4117%。虽然钢材经双相化处理后的塑性有所下降,但09CuPCrNi 钢双相化后的伸长率仍高达2511%,符合表3的规定。表5耐候钢双相化前后力学性能比较T able 5The comparison of mechanical properties of thest

28、eels befor and after quenching材料状态钢种012/MPa b /MPa 5(%n 值012/b热轧状态3791344413717106831425112217012001170152901650注:209CuPCrNi ,209CuPTiRE 1综上所述,将试验用耐候钢进行780加热淬火双相化处理后,在保持其耐大气腐蚀性能特点的同时,其冷加工成形性能得到明显改善,具有良好的强度与塑性配合。这不仅保证了材料使用的安全可靠性,提高了材料冷冲压结构件的成品率和产品质量,而且可以节约大量钢材,大幅度降低机车车辆的自身重量,有利于提速运营。可见,耐候双相钢在铁路上的应用,将

29、会产生巨大的经济效益和社会效益。4结论(109CuPCrNi 和09CuPTiRE 热轧耐候钢经热处理双相化后的显微组织由多边形等轴铁素体晶粒和不规则岛状马氏体组成,其中的马氏体含量随淬火加热温度的升高而增加。(2原始组织较细的耐候钢经热处理后仍具有较细的组织并且具有较优良的综合力学性能。(3试验表明,两种热轧耐候钢双相化处理前后的显微组织和力学性能均无方向性。(4双相化加热温度对双相组织中马氏体含量、屈服现象、屈服强度、抗拉强度、屈强比、伸长率及加工硬化指数(n 值均有显著影响。(5根据试验结果及国家标准对耐候钢力学性能的要(下转第22页表1不同处理工艺对W18C r4V钢残留奥氏体的影响(

30、体积分数,%T able1E ffect of different process on retained austenite in W18C r4V steels(volume,%热处理工艺深冷及磁场深冷处理A R1280淬火+5601h3次回火深冷处理磁场深冷处理10716219表2不同处理工艺对G C r15轴承钢中残留奥氏体的影响(体积分数,%T able2E ffect of different process on retained austenitein G C r15steels(volume,%处理工艺A R 860淬火+150回火717 860淬火+(-78冷处理+150回

31、火316 860淬火+深冷处理+150回火217 860淬火+150回火+(立即深冷处理418 860淬火+150回火+24h后(-78处理610 860淬火+150回火+24h后磁场深冷处理312现陈化稳定,采用一般冷处理难以使它发生转变。本试验证明,继续降低温度,采用液氮温区的深冷处理及磁场深冷处理可以促进残留奥氏体的转变。从表2可以看出,GCr15钢860淬火后采取-78的冷处理可使回火后的残留奥氏体量减少53%,而采用更低温度的深冷处理则可使残留奥氏体量减少65%。同时,还可以看出,GCr15,一般冷处理的效果降低。淬火、回火及室温下停留24h后采用-78冷处理只能使残留奥氏体量减少2

32、2%,在同样情况下,采用磁场深冷处理则可使残留奥氏体量减少58%。由于W18Cr4V高速钢和GCr15轴承钢的马氏体最终转变点分别为-100和-120左右。故一般冷处理,即使冷处理保持时间很长也不可能使残留奥氏体全部转变。特别是当进行回火或自然时效以后的钢,由于奥氏体的稳定化,必须在Mf点以下更低的温度才能转变。采用液氮温区的深冷处理可使残留奥氏体量减少到最低限度。采用深冷及磁场深冷处理可以促进残留奥氏体进一步向马氏体转变。文献3认为,铁在低温时,由于较低的内能及出现磁熵,使体心正方结构的马氏体相比面心立方结构的残留奥氏体相更为稳定。也有人认为磁场控制相变比温度变化诱发相变能在更短的时间内达到驱动力的变化。这点我们的试验也得到了证实。因为奥氏体是非铁磁性相,而马氏体为铁磁性相,当奥氏体向马氏体转变的发展过程中,外加磁场将产生催化作用4。有人认为5,这是由于在外磁场的作用下,初始相(如奥氏体微区内近程铁磁