低合金高强度钢的综合性能优于传统碳锰钢，近年来已成为钢铁领域的研究热点之一。在实际生产中，690MPa级高强度钢的工艺控制难度较大，特别较难控制其低温韧性的稳定性，影响该性能最重要的因素是材料的显微组织。为了控制成本，根据该钢种的规格、客户要求等采取热机械控制工艺(TMCP)、在线淬火+回火、离线淬火+回火等不同工艺，对其连续冷却转变(CCT)规律进行研究，以确保产品性能稳定，CCT曲线是进行该研究的重要依据。对各类金属材料 CCT曲线研究已有大量的报道，如：刘莹等研究了45钢的热模拟试验；周光理等分析了42CrMo合金钢棒材的硬度及显微组织；王瑞敏等研究了R350HT钢轨钢的CCT曲线；李凯等分析了42CrMo钢的CCT曲线；陈明毅等研究了一种高强无碳贝氏体非调质钢的过冷奥氏体动态CCT曲线；葛琛等分析了900MPa级高强钢的连续冷却转变及组织调控；周文浩对Q690钢的3种奥氏体状态下的连续冷却转变行为进行了比较研究；李敬等研究了厚规格690高强钢板的连续冷却转变行为。研究人员利用热模拟试验机、维氏硬度计、光学显微镜等对Q690D高强度钢的动态CCT曲线进行了研究。

 

1、 试验材料及方法

 

      试验用材料为Q690D钢板，其化学成分如表1所示。按照CCT要求制备试样，试样结构如图1所示。在热模拟试验机上对试样进行动态CCT试验。以10℃/s的升温速率将试样加热到1200℃，保温3min，接着以5℃/s的冷却速率将试样冷却至910℃,保温30s；然后以6s-1的应变速率进行20%的单道次压缩，最后分别在0.01，0.02，0.05，0.1，0.25，0.5，1，2，5，8，10，15，20，30，40℃/s等冷却速率下将试样冷却到室温。在试验过程中，检测并记录试验过程中试样的直径变化。试验结束后，用Origin软件和切线法测定其相变点。在加热过程中，用上述方法测得试样组织向奥氏体转变的开始温度Ac1为780℃，奥氏体转变的终了温度Ac3为885℃。对热模拟试验后不同冷却速率下的试样进行机械加工和镶嵌，对试样研磨抛光后，使用4% (体积分数)的硝酸乙醇溶液对试样进行腐蚀。使用德国蔡司光学显微镜观察试样的显微组织，结合德国全自动维氏硬度计测量硬度，绘制出材料的动态CCT曲线。

2、 试验结果及分析

 

2.1 不同冷却速率下试样的显微组织

 

      不同冷却速率下试样的显微组织形貌如图2所示。由图2可知：当冷却速率为0.01℃/s时，组织基本为典型的珠光体+铁素体，但是仍有小部分区域存在珠光体和贝氏体的混合组织；随着冷却速率的增大，珠光体含量越来越少，贝氏体含量越来越多；当冷却速率为0.1℃/s时，仅存在少量珠光体；当冷却速率达到0.5℃/s时，全部为贝氏体；当冷却速率为3℃/s时，开始出现少量的马氏体，随着冷却速率的进一步增大，马氏体含量逐渐增多；当冷却速率达到8℃/s时，贝氏体几乎消失，整个基体组织基本为马氏体；当冷却速率增大到10℃/s以上时，组织全部为马氏体。

2.2 不同冷却速率下试样的维氏硬度

 

      图3为不同冷却速率下试样的维氏硬度曲线。由图3可知：当冷却速率小于0.1℃/s时，组织以珠光体和铁素体为主，试样的维氏硬度较低，为171~250HV；当冷却速率为3℃/s时，维氏硬度为290HV，组织基本为贝氏体；当冷却速率为8℃/s时，马氏体使试样的维氏硬度升高至378HV；当冷却速率大于10℃/s时，组织全部为马氏体，维氏硬度均大于396HV。

2.3 奥氏体化过程CCT曲线

 

      将试样的温度以10℃/s的升温速率从室温加热到1200℃，在此过程中，试样在经过Ac1点(780℃)并出现相变平台后开始奥氏体化，随后达到Ac3点(885℃)，之后进入完全奥氏体化状态，至此加热过程的相变点结束，试样的奥氏体化过程曲线如图4所示。

      试样经过降温以及形变后，再对其冷却速率进行控制，得到不同冷却速率下的连续冷却转变曲线。图5为试样在0.01~20 ℃/s冷却速率下的热膨胀曲线。由图5可知：当冷却速率小于0.1℃/s时，在出现明显高温相变拐点前,曲线出现弯曲部分，用切线法取点，对显微组织进行综合判断，该相变温度应为先共析铁素体的相变开始点；当冷却速率为0.01，0.02℃/s时，珠光体、铁素体相变开始点基本为770℃，随着冷却速率的逐步增大，相变点呈下降趋势，当冷却速率达到0.1℃/s时，相变点下降到711℃。由于Mn、Cr元素含量较高，该钢种的淬透性升高，因此该冷却阶段仍然存在中温相变，即贝氏体相变。由冷却速率为0.01，0.02℃/s时的曲线可知，高温相变区的结束点与中温相变区的开始点相对明显分离，而冷却速率为0.05，0.1℃/s时，上述两个相变点分界线已经不明显，很难区分。随着冷却速率的增大，贝氏体相变结束点逐步降低，由0.01℃/s时的430℃下降到0.1℃/s时的380℃。当冷却速率增大到0.5℃/s时，高温相变拐点消失，全部为中温相变，即全是贝氏体相变，此时贝氏体相变开始温度为615℃，终止温度为415℃，相对较高。当冷却速率增大到3℃/s时，贝氏体的开始相变温度下降到588℃，结束温度下降到390℃，在该冷却速率下，根据得到的显微组织综合判断，该相变终了温度应为Mf点。从冷却速率为8℃/s开始，全部为马氏体相变,相变开始温度约为450℃，结束温度约为307℃。

 

2.4 动态CCT曲线的绘制

 

      结合显微组织以及不同冷却速率下的热膨胀曲线，最终得出Q690D钢的动态CCT曲线，如图6所示。由图6可知:冷却速率低于0.1 ℃/s时，发生了先共析铁素体析出的相变现象，但是即使冷却速率低到0.01℃/s，该相变过程也是高温相变与中温相变的复合，包含了先共析铁素体相变、珠光体相变以及贝氏体相变3个过程，得到的组织为铁素体、珠光体以及贝氏体；同时，在冷却速率为0.02~0.25℃/s时，珠光体相变与贝氏体相变在膨胀曲线中没有明显界线;在冷却速率为0.25~2℃/s时，发生贝氏体中温转变，得到的是单一的贝氏体；在冷却速率为2℃/s时，随着冷却速率的增大，开始发生贝氏体中温转变与马氏体低温转变的复合相变，此时得到的显微组织为贝氏体与马氏体的混合组织；当冷却速率达到8℃/s时，该现象消失，开始发生马氏体低温转变的单一现象，材料组织也只有单一的马氏体。

 

3、 结论

 

     (1)在冷却速率为0.01~ 0.1℃/s时，组织基本为珠光体、铁素体和贝氏体，其硬度较低。

 

     (2)当冷却速率为0.5℃/s时，珠光体消失，全部为贝氏体。

 

      (3)当冷却速率为3℃/s时，组织中出现马氏体，当冷却速率增大至8℃/s时，贝氏体几乎全部消失，组织 基本为马氏体，维氏硬度提高到378HV。

 

     (4)当冷却速率大于10℃/s时，组织为单一马氏体，马氏体临界转变冷却速率为10℃/s。

 

作者：鹿超超，孙雪娇，方金林

单位：山东钢铁股份有限公司

来源：《理化检验-物理分册》2024年第4期

 

来源：理化检验物理分册

关键词： 钢