直接淬火n610e钢组织性能的试验研究

直接淬火n610e钢组织性能的试验研究

国内外高钢通常采用加热和研磨（rct）的形式生产。这种生产工艺不仅增加了设备的投资，而且增加了序言和成本。控制轧制后直接淬火+回火(DQT)与传统的RQT相比,能大大提高低碳钢和低合金钢的强度,同时减少合金元素含量、降低碳当量,改善了焊接性能,提高了钢的综合力学性能。DQ工艺生产高强度高韧性钢板,主要通过合理设计轧制、冷却及回火工艺实现钢板性能,对化学成分要求不严,可在较少合金含量的情况下实现钢板高强度、高韧性。轧后直接淬火工艺的采用,能够保留低温大压下终轧时钢板组织内部的高密度位错,为相变增加形核点,组织明显细化。同时位错的保留也为回火时第二相粒子的析出提供了便利,获得与常规调质钢同类型的高强高韧性组织,节省了同类钢板再加热淬火的工序,生产周期短、成本低,提高了生产效率,节约能源,可广泛应用于冶金、建筑、能源、机械、石化、船舶、交通、采掘等行业所需高强度钢板的生产。直接淬火后钢板的强度高、塑性低及残余应力大,因而需要进行回火来改善钢的延韧性。本文以石油储罐用钢N610E为对象,研究回火后其微观组织与力学性能的演变规律。1超快冷层流冷却钢板和回采钢板的制备试验材料为大生产冶炼的石油储罐钢,其化学成分(质量分数,%)为:C0.08,Mn1.40,P0.011,S0.0021,Si0.192,Ni0.196,Cr0.048,Cu0.031,Al0.023,Mo0.093,V0.048,Ti0.012。钢板由炉卷轧机生产线控制轧制成厚度为15mm厚度钢板,利用改造后的超快冷层流冷却装备(Super-ACC)进行直接淬火。再对直接淬火的试验钢板做离线回火热处理试验,回火温度分别为605、615、625、635、655、675℃,保温时间为60min。之后做室温拉伸试验,在20、0、-20、-60、-80℃做冲击试验,并对不同温度回火后的钢板取金相试样,经研磨、抛光、侵蚀后在室温下作光学、扫描电镜观察,并制备金属薄膜样进行透射电镜组织观察。2试验结果2.1强度变化曲线表1给出了不同温度回火后的力学性能,图1为不同温度回火后对比淬火态钢板强度变化曲线。由图1可见,屈服强度和抗拉强度均先随回火温度升高而增加,到达625℃时出现峰值。之后,呈现下降趋势,在655℃时强度再次增大,出现二次硬化现象。可以发现,试验过程伸长率随回火温度升高逐渐增大。2.2冲击功变化图2给出了不同冲击温度下的冲击功,可以看出,随温度上升冲击功不断提高,在-80～-40℃范围冲击功急剧增加,随后增长平缓。可以确定不同回火温度试样的韧脆转变温度均在-60℃以下。2.3贝氏体、板条和应力图3为不同温度回火后在钢板1/2厚处的金相组织照片。从中不难发现,原轧态淬火钢经过回火后的显微组织由板条贝氏体+马氏体组织逐渐转变为粒状贝氏体、板条贝氏体及回火马氏体混合组织,板条边界依然清晰可见。在605～635℃回火温度后的金相组织并没有本质上的差异,只发生回复并没有发生再结晶。605℃回火后的粒状贝氏体组织较大,因而出现力学性能上强度值较低,塑性也不太理想,综合性能较差。而在655℃和675℃回火后的组织明显出现多边形等轴铁素体,说明回火过程随温度升高逐渐发生了再结晶,板条边界逐渐弱化消失,因而伸长率在655℃以上温度回火急剧增加。3高温退火高温以上试验结果表明,在605～675℃回火后的N610E钢板力学性能变化规律为:强度先升高后降低,而后又升高再降低,出现二次硬化现象;韧性先降低后升高;塑性随回火温度升高而一直升高。在605～635℃窄区间回火温度对金相组织演变的差异较小,没有出现本质上的不同,而在655℃以上温度回火后组织演变较快,软化明显。回火过程因温度的差异,一般表现不同的物理现象。原因主要有2个方面:在成分的分配上,包含因热激活引起的原子长程扩散和局部浓度梯度引起的迁移(即短程扩散),以及因溶解度的差异表现出的在过饱和固溶体中第二相粒子的析出行为;在晶体空间点阵的重新构建上,表现为较大弹性畸变能的释放,伴随的现象为回复和再结晶。对于低碳微合金钢N610E而言,在605～675℃温度回火,碳化物通过热激活表现出的扩散差异相对较小,可以忽略。另外,随回火温度的升高,伴随的回复现象越剧烈,板条贝氏体逐渐向平衡态演化,板条边界通过合并以及相互吞噬变宽,位错缺陷亦逐渐消失(图4和图5),对强度和硬度的软化现象应该越显著。但是,因微合金元素过多,从而对溶解度的耦合效应加强,表现出一定量第二相粒子即碳氮化物的析出有所不同。回火过程的回复和多边形化与析出对力学性能的贡献是矛盾的,但两者同时产生作用。回火过程使得部分位错在恢复和多边形化过程中移动并消失,高温回火阶段以多边形化为主,同时伴有亚晶和板条的合并,在宏观力学上表现为软化现象,即钢的强度下降,塑性改善;直接淬火过程由于冷却速度高,抑制了钒的碳氮化物在冷却过程中的析出,碳氮化物高温回火时开始在板条边界、位错线析出,并有效地钉扎了位错(如图5(d)中的箭头指示),析出粒子与位错的交互作用,在宏观力学性能上表现出明显的硬化现象,强度和硬度增加。两种作用的结果是:615～635℃之间,析出作用对强度的影响强于软化作用;尽管析出使强度提高,但是回火温度升高产生的亚晶形成与合并、板条界面的部分消失(图4(d)中的箭头所示),位错滑移更容易,使得塑性进一步提高。钢中的微合金化元素为V和Ti,在试验钢成分条件下,根据V和Ti的碳氮化物的溶解度积关系式(T为温度):lg[V%][C%]α=6.72−9500T(1)lg[Ti%][N%]=4.01−13850T(2)lg[Ti%][C%]=2.75−7000T(3)lg[V%][C%]α=6.72-9500Τ(1)lg[Τi%][Ν%]=4.01-13850Τ(2)lg[Τi%][C%]=2.75-7000Τ(3)计算可知,TiN在钢中的析出温度高于1350℃,为液析氮化物,TiC的析出温度低于950℃,因为钢中的氮质量分数为50×10-6,Ti全部形成了TiN,因此无TiC析出。在铁素体中,试样成分下的VC平衡溶解度极小,相变温度以下是VC的析出温度范围。但是,从析出动力学的角度看,只有温度合适VC才能有效析出和长大;回火温度升高,可使V的析出量增加5倍。由于VC析出温度低,析出粒子细小、弥散(如图5(d)中的箭头指示位置的质点),无法获得其能谱和清晰的衍射斑点。而TiN粒子形成温度高,析出质点大,容易观察和确定,图6为635℃回火试样透射电镜下的碳氮化钛析出形貌和能谱。4回复产品的稳定性1)原轧态直接淬火钢经回火后的显微组织由板条贝氏体+马氏体组织逐渐转变为粒状贝氏体、板条贝氏体及回火马氏体混合组织,板条边界依然清晰可见,在605～635℃回火过程只发生回复,没有再结晶。而在655℃以上温度回火后组织演变较快,逐渐发生再结晶,软化明显。2)N610E钢强度随回火温度升高先升高后降低,而后又升高再降低,出现二次硬化现象;韧性先降低后升高;塑性随