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摘 要： 【摘要】 為開發出屈服強度 1 100 MPa 級的超高強度工程機械用鋼，研究了淬火制度對試驗鋼顯微組織和力學性能的影響。結果表明，試驗鋼的淬火態組織為高位錯密度的板條馬氏體，板條內分布著長度為100 nm 左右的 -碳化物; 淬火溫度和保溫時間對原始奧氏體晶粒尺寸有明顯
【摘要】 為開發出屈服強度 1 100 MPa 級的超高強度工程機械用鋼，研究了淬火制度對試驗鋼顯微組織和力學性能的影響。結果表明，試驗鋼的淬火態組織為高位錯密度的板條馬氏體，板條內分布著長度為100 nm 左右的 ε-碳化物; 淬火溫度和保溫時間對原始奧氏體晶粒尺寸有明顯的影響，從而影響試驗鋼的力學性能。當淬火溫度由840 ℃升高到 900 ℃時，試驗鋼的平均奧氏體晶粒尺寸由9 μm 增加到 12. 5 μm，屈服強度逐漸下降，低溫沖擊韌性先增加后降低; 當淬火溫度為 840 ～ 860 ℃、保溫時間為10 ～ 15 min 時，試驗鋼具有最優的強韌性。
【關鍵詞】 超高強結構鋼 淬火工藝 顯微組織 奧氏體晶粒 力學性能
近年來，工程機械和礦山機械等行業的迅速發展對高強度結構用鋼的需求日益增大，對鋼板強度級別的要求也在不斷提高[1-3]。應用高強度結構鋼對提高工程機械裝備的載荷能力、延長使用壽命、減重和降低能耗都具有十分重要的意義。目前，屈服強度 900 MPa 以上的高強度結構鋼主要通過低碳低合金的成分體系，充分發揮微合金元素( Nb、V 和 Ti) 的作用，結合控軋控冷技術 ( TMCP) 和調質處理來獲得所需要的高強度、良好韌性和焊接性能[4-6]。對于低合金高強度結構鋼，淬火溫度的選擇至關重要，溫度太低則奧氏體化不完全，太高則會造成奧氏體晶粒的粗化，對材料的綜合性能不利; 加熱時間也會對鋼的奧氏體化過程產生影響，加熱時間短，奧氏體成分不均勻，時間過長，能源消耗增多，生產效率降低，制造成本增加[7-9]。因此，本文以屈服強度為 1 100 MPa 級的超高強度工程機械用鋼為研究對象，研究淬火工藝參數( 溫度和時間) 對試驗鋼顯微組織和力學性能的影響，從而確定能夠獲得最佳綜合力學性能的淬火工藝。
1 試驗材料與方法
試驗用鋼為厚度 8 mm 的 Q1100 熱軋鋼板，其化學成分( 質量分數，% ) 為: C0. 17 ～ 0. 20，Si 0. 20 ～ 0. 30，Mn 0. 80 ～ 1. 20，P ≤ 0. 010，S ≤ 0. 005，Cr 0. 40 ～ 0. 60，Ni + Mo < 2. 0，Nb + V + Ti < 0. 08，B 0. 001 ～ 0. 002，Fe 余量。利用全自動相變儀，參照 GB /T 5056—1985 鋼的臨界點測定方法，采用熱膨脹法測定試驗鋼的相變點。將試樣加工成 3 mm × 10 mm 的圓柱試樣，并在試樣的一端加工出 2 mm × 2 mm 的盲孔，作為測溫熱電偶的插孔，用焊在插孔底部的鉑-銠熱電偶測量溫度。以0. 05 ℃ / s 的速率從室溫加熱到 950 ℃，保溫5 min后以 50 ℃ / s 的速率冷卻至室溫。根據膨脹法測定試驗鋼的平衡相變溫度 Ac1和 Ac3分別為 675 和 814 ℃，Ms 和 Mf 分別為 411 和 310 ℃。在箱式電阻爐中對試驗鋼板進行加熱，根據 Ac3設定淬火加熱溫度區間為 840 ～ 900 ℃，溫度間隔為 20 ℃，保溫時間為 5 ～ 45 min，水淬至室溫后，再對鋼板進行 230 ℃回火。
采用電液伺服萬能試驗機和 INSTRON 9250 落錘沖擊試驗機測試不同工藝淬火的鋼板的橫向室溫拉伸性能和縱向 - 40 ℃ 低溫沖擊韌性。沿鋼板橫剖面( 垂直于軋制方向) 截取金相試樣，試樣經研磨和拋光后，采用體積分數 4% 的硝酸酒精溶液進行腐蝕，然后在 LEICA DMIRM 光學顯微鏡 ( OM) 和 FEI Quanta600 掃 描 電 子 顯 微 鏡 ( SEM) 下觀察試驗鋼的顯微組織; 采用雙噴電解減薄方法制取透射薄膜試樣，電解液采用體積分數 9% 的高氯酸酒精溶液，通 過 FEI-Tecnai G2 F20 透射電鏡( TEM) 觀察試樣的精細組織; 將金相試樣重新拋光后用 70 ℃ 的飽和苦味酸水溶液腐蝕出原始奧氏體晶界，然后采用截線法統計不同溫度淬火的試驗鋼的原始奧氏體晶粒尺寸。
2 試驗結果與分析
2. 1 顯微組織
如圖 1 所示，熱軋態試驗鋼的顯微組織主要為粒狀貝氏體，原奧氏體晶粒經兩階段控軋后明顯被拉長。
經不同溫度淬火的試驗鋼的顯微組織如圖 2 和圖 3 所示，可以發現，試驗鋼的淬火組織均為典型的板條馬氏體，板條形貌在光學顯微鏡下較難分辨，經不同溫度淬火的試驗鋼的光學顯微組織無明顯差異。由于低碳鋼的馬氏體轉變開始溫度 Ms 和終止溫度 Mf 都較高，因此試驗鋼經水淬后即可得到全馬氏體組織，不會出現明顯的殘留奧氏體。由圖 3 可以看出，通過 SEM 能夠清晰地分辨出不同溫度淬火的試驗鋼中的馬氏體板條束和板條尺寸，但板條的形貌仍難以辨別。此外可以看出，840 和 860 ℃ 淬火的試驗鋼中的馬氏體板條束尺寸明顯要小于 880 和 900 ℃ 淬火的( 圖 3( a、d) ) 。
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試驗鋼淬火后的 TEM 照片如圖 4 所示，可見其組織主要由高位錯密度的馬氏體板條構成，板條寬度為 200 nm 左右。此外，馬氏體板條內部分布著方向各異的 ε 碳化物，長度為 100 nm 左右，這主要是由于試驗鋼的 Ms 點高達 411 ℃，因此在淬火過程中必然會發生一定程度的自回火，從而促使部分碳化物的形成。
2. 2 原始奧氏體晶粒
經不同溫度淬火的試驗鋼的原始奧氏體晶粒及其平均晶粒尺寸分別如圖 5 和圖 6 所示。從圖 5 中可以發現，淬火溫度為 840 ℃ 時，奧氏體晶粒尺寸最小。隨著淬火溫度的升高，晶粒緩慢長大，當淬火溫度進一步升至 900 ℃時，奧氏體晶粒明顯長大，較 840 ℃ 時的奧氏體平均晶粒尺寸增大了約 4. 5 μm。當淬火溫度較低時，微合金元素 ( Nb、V) 的碳-氮化物釘扎原始奧氏體晶界，阻礙奧氏體晶粒長大，所以奧氏體晶粒長大速度相對緩慢。隨著淬火溫度的升高，尤其當溫度升高到 900 ℃時，微合金元素( 主要是 V) 的碳化物由于固溶到奧氏體中從而使釘扎奧氏體晶界的作用減弱，所以該溫度下奧氏體晶粒長大比較明顯。相關研究表明[10-12]，對于板條馬氏體鋼，馬氏體板條束( packet) 和板條塊( block) 的尺寸與原始奧氏體晶粒尺寸呈線性關系，板條束尺寸隨著原始奧氏體晶粒尺寸的減小而減小，屈服強度和沖擊韌性均隨著板條束尺寸的減小而增大，因此板條束尺寸是控制板條馬氏體鋼強韌性的重要組織因素。
2. 3 力學性能
經不同溫度淬火的試驗鋼的力學性能如圖 7 所示，可以發現隨著淬火溫度的升高，屈服強度逐漸降低。這是因為 840 ℃淬火的鋼的奧氏體平均晶粒尺寸最小，進而得到尺寸較小的馬氏體板條束，根據霍爾佩奇公式 σs = σ0 + kd - 1 /2，細化晶粒能夠提高屈服強度，對于板條馬氏體鋼，d 代表板條束的尺寸。淬火溫度相同，隨著保溫時間的增加，屈服強度先升高后下降，在保溫時間為 15 min 時，屈服強度基本達到最高值( 見圖 7a) 。隨著淬火加熱溫度的升高和保溫時間的增加，試驗鋼的斷后伸長率均不斷降低，且當保溫時間少于 15 min 時的斷后伸長率較高，隨后繼續延長保溫時間，斷后伸長率的變化不明顯( 見圖 7b) 。分析認為，這是由于保溫時間較短時晶粒比較細小，可以在更多的晶粒內開動位錯和增殖位錯，即細小的晶粒能使塑性變形更均勻，減小不均勻變形造成的應力集中，從而得到較高的塑性。隨著淬火溫度的升高和保溫時間的增加，試驗鋼的低溫沖擊韌性先升高后降低，并且在較高淬火溫度( 900 ℃ ) 和較長保溫時間( 45 min) 時，沖擊吸收能量下降得更為明顯。當淬火溫度為 860 ℃、保溫時間為 10 min 時，試驗鋼的韌性最佳。
從強度指標來看，當淬火溫度為 840 ℃、加熱時間 15 min 時，試驗鋼的屈服強度最高，雖然獲得最佳沖擊韌性的加熱時間為 10 min，但根據標準要求，此時的沖擊吸收能量較屈服強度有更多的富余值，所以應優先考慮強度指標。為得到優良的綜合力學性能，8 mm 厚 Q1100 試驗鋼板的最佳淬 火 工 藝 為 840 ～ 860 ℃ 加 熱，保 溫 10 ～ 15 min。
3 結論
( 1) 當淬火溫度由 840 ℃ 增加到 900 ℃ 時，試驗鋼的奧氏體平均晶粒尺寸由 9 μm 增加到 12. 5 μm。
( 2) 隨著淬火溫度的升高，試驗鋼的屈服強度和斷后伸長率均逐漸降低，而低溫沖擊韌性則先升高后降低; 隨著保溫時間的延長，試驗鋼的屈服強度和低溫沖擊韌性先升高后降低，而斷后伸長率降低到一定程度后基本保持不變。
( 3) 淬火工藝為 840 ～ 860 ℃ 加熱、保溫 10 ～ 15 min 時，試驗鋼能夠獲得最優的強韌性。——論文作者：閆強軍1 溫長飛2 姜在偉1 張儀杰1 鄧想濤2
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