低碳钢板的组织和性能

低碳钢板的组织和性能

为了进一步提高钢材料的使用性，提高钢材料的性能潜力，近年来，国内外形成了新钢铁材料的研究重点。例如，中国下一代钢材料的主要基础研究项目、日本的超级钢项目和韩国的高性能结构钢铁设计。中国、日本和韩国正在集中力量研究超细晶粒钢的制备工艺和性能特征。长期的研究和生产实践表明,具有高强度兼有高韧度的钢铁材料是最理想的材料,晶粒细化处理是同时提高材料强度和韧度的最有效途径。马氏体强度高,且有脆性,因此利用马氏体塑变再结晶细化晶粒的报道很少。本文通过对多道次大压下量(累积压下量达93%)轧制板条马氏体及其再结晶细化行为的研究,制备出了平均晶粒尺寸为50.2～316.4nm的纳米晶粒和超细晶粒低碳钢板。1钢板组织形态和尺寸实验材料为500×60×6(mm)热轧态普通低碳钢Q235,其化学成分(质量分数,%)为:0.17C,0.68Mn,0.37Si,0.039S,0.036P。Q235钢板经940℃×25min盐浴加热奥氏体化,淬火后组织为低碳板条马氏体,再经180℃时效处理后进行多道次大变形量(累积压下量为93%)冷轧,轧后钢板厚度为0.38mm,制得实验试样。轧后试样在100～700℃范围内退火,温度间隔为100℃,退火时间为60min。退火后试样经机械抛光,用4%的硝酸酒精浸蚀显现组织,在XJG-05大型金相显微镜下观察钢板组织形态。在D/max-rB衍射仪上对钢板的晶粒尺寸进行表征,其衍射条件为:Cu-Kα,扫描速度2°/min,加速电压为40kV,电流100mA。将试样机械减薄至约40μm,进行双喷电解抛光,电解液为1∶4的高氯酸酒精溶液,其温度为-20℃,电压75～85V,电流40mA,得到透射电镜分析样品。在H-800透射电镜下观察钢板的微观组织结构,并在TEM暗场像中采用弦线法进行钢板晶粒尺寸测定。用HV-1000型显微硬度计测量试样的硬度。用WAW-300C型微机控制电液伺服万能试验机测定拉伸性能,拉伸试样尺寸如图1所示。2结果与分析的总结2.1晶粒尺寸测定在TEM暗场像中采用弦线法测定的晶粒尺寸和XRD-β增宽法测得的晶粒尺寸结果如表1所示。采用XRD-β增宽法标定晶粒尺寸过程中发现,随退火温度升高,晶粒不断长大,沿〈110〉方向长大速度最快(52.3nm),沿〈211〉方向次之(29.8nm),沿〈200〉方向长大速度最慢(22.6nm)。对TEM暗场像晶粒的测算结果与X射线衍射结果也较为吻合。2.2大压下量轧轧钢板力学性能的转化Q235钢冷轧前、后的板条马氏体组织如图2a、b。冷轧钢板经300℃、400℃、500℃保温60min退火后的试样在电镜下观察到的组织形态分别示于图3a、b、c,500℃、600℃保温60min退火后试样的断面金相组织如图4a、b所示。对板条马氏体进行多道次大压下量轧制的结果表明:经多道次冷轧后,钢板显微组织出现明显的分层,马氏体板条沿轧面和轧向近似于平行排列。轧前多数相邻板条间有较大的取向差,板条内存在高密度位错,在冷轧变形过程中,随着变形量的增加,马氏体板条发生了转动,大量马氏体板条趋于沿轧向排列,大量位错相互缠结、堆积使晶粒拉长破碎;轧制力对钢板所作的功一部分转化为残余内应力残留在钢板中,使钢板处于高能状态,因此,大压下量轧制后的钢板在不同温度进行退火,利用保温过程的回复和再结晶可以获得超细晶粒组织,并显著提高低碳钢的强度。在低于300℃进行退火,这时组织中仅发生点缺陷和位错的迁移,所以钢板的晶粒大小和形状并没有发生明显变化,钢板的内应力已大大降低,但整个冷轧钢板的晶粒拉长破碎的状态仍没改变,组织仍处于不稳定状态,此时钢板的力学性能几乎没有变化。经300～600℃退火,此时原子具有较高的活动能力,这时晶粒形状发生明显的变化,拉长破碎的晶粒重新生成新的等轴晶粒。钢板的显微组织发生了彻底的改变,强度、硬度明显下降,塑性得到进一步提高,晶粒尺寸开始明显长大,见图3、图4所示。由图4a、b对比可知,500℃退火的钢板仍保持层片状结构,晶粒尺寸达到316.4nm;600℃退火的钢板晶粒明显粗化,此时晶粒尺寸达到4.7μm,层片状结构已消失。由图5b可知,经500℃退火后的钢板抗拉强度明显的高于600℃退火的钢板,这是由于钢板在变形过程中其内部生成大量界面,成为类似金属层压板的金属内生复合材料,大幅度提高材料的力学性能。2.3试验结果分析冷轧前试样硬度为423HV。冷轧后经不同温度退火后,测得显微硬度如图5a所示,σb-ε变化曲线如图5b所示。硬度与拉伸曲线的变化趋势与退火后钢板的晶粒大小、形态密切相关。由上述试验结果可知,冷轧钢板经低于300℃退火后,晶粒尺寸没有明显变化(约20nm),硬度下降平缓(572HV→559HV),σb值很高,ε值很小,拉伸曲线呈现明显的脆性断裂特征,此时钢板处于回复阶段;经300～600℃退火后,晶粒尺寸明显长大,硬度显著下降(559HV→196HV),σb值降低,ε值逐渐增大,拉伸过程逐步向韧性断裂过渡,此时钢板发生了再结晶;大于600℃退火后,硬度变化又趋于平缓(196HV→186HV),σb值较低,ε值已很大,发生韧性断裂,由图4b可知,此时钢板再结晶已完成。3拉伸性能及硬度(1)对Q235钢板进行淬火→时效→大压下量冷轧→再结晶处理,制备出了屈服强度为1137～1209MPa、抗拉强度为1266～1756MPa、晶粒尺寸为50.2～316.4nm的低碳钢板。(2)低于300℃退火时拉伸试样呈