淬火工艺对超高强度特厚板组织与性能的影响

发布时间：2022-04-14

　　摘要: 采用不同冷却速度的一次和两次淬火以及不同的二次淬火温度，研究了淬火工艺对超高强度调质特厚板心部组织和性能的影响。结果表明: 在较低的淬火冷速( 0. 05 ℃ / s) 下，组织以粒状贝氏体为主，强度和韧性较低; 随着冷却速度的提高，粒状贝氏体逐渐减少，马氏体增加，强度和韧性提高。两次淬火能明显细化原始奥氏体晶粒，提高钢板强韧性匹配。当二次淬火温度位于两相区时，大量回火未分解的 M /A 组元是造成韧性较低的主要原因; 当二次淬火温度位于完全奥氏体区时，随淬火温度增加，韧性逐渐提高，在 930 ℃时获得最佳的强韧性匹配。

　　关键词: 冷却速度; 两次淬火; 淬火温度; 特厚板

　　海洋平台用超高强度特厚钢板，厚度一般在 120 mm 以上，产品性能要求苛刻，要求钢板具有较高的强度和良好的低温韧性[1-3]，保证此类钢板的心部性能是热处理生产中的难点。由于热传导速率的限制，在淬火机最大冷却能力下，特厚钢板心部仍会因为冷速不足，得到粒状贝氏体组织，组织中的 M /A 岛由于碳和合金元素含量较高，在高温回火时也无法使其充分分解[2-3]，使得特厚钢板心部无法获得理想的韧性水平。

　　在淬火冷却能力一定的情况下，如何提高心部性能是生产特厚钢板的关键。通常提高调质处理钢板强韧性的方法主要有合金元素的添加、循环热处理、热处理前的原始组织控制、奥氏体化温度和时间优化、淬火冷却速度提高等[4]。在合金成分和轧制工艺等因素确定的前提下，适宜的热处理工艺是改善钢板强韧性的主要手段。研究表明[4-8]，循环淬火能够有效细化奥氏体晶粒尺寸，从而提高钢板强度和韧性，获得良好的强韧性匹配。本文通过研究不同淬火冷却速度、两次淬火以及不同的二次淬火温度对钢板心部组织性能的影响，为提高特厚板心部性能提供依据。

　　1 试验材料与方法

　　试验采用工业生产的 180 mm 特厚钢板，主要化学成分如表 1 所示，试验钢的临界点 Ac3 = 831 ℃。试验钢经过电炉冶炼，LF + VD 精炼，模铸和锻造后，轧制成 180 mm 的特厚钢板。

　　从钢板厚度 1 /2 处取横向试样，进行调质热处理试验，试验分为三部分: ①淬火冷却速度的影响: 淬火加热温度为 930 ℃，采用不同的冷却条件冷却，分别获得 2、1、0. 2、0. 05 ℃ / s 的冷却速度; ②两次淬火的影响: 采用上述的加热温度和冷却速度，对试样进行两次淬火; ③二次淬火温度的影响，在 1 ℃ / s 的冷速下，一次淬火温度 930 ℃，二次淬火温度分别选为 930、910、 890、870、830、810、790、770 ℃，其中 930 ～ 870 ℃ 为完全奥氏体区淬火，830 ～ 770 ℃为两相区淬火。175 mm 厚度钢板淬火时心部位置的平均冷速约为 0. 85 ℃ / s[2]，本研究采用 1 ℃ / s 近似模拟钢板心部的淬火冷却速度。所有淬火试样均在 640 ℃回火。

　　将经过不同热处理工艺的试样，按照 GB/T 228. 1— 2010《金属材料拉伸试验第 1 部分: 室温试验方法》和 GB /T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》加工成拉伸试样和冲击试样，分别进行室温拉伸和 - 40 ℃ 冲击试验; 试样经机械抛光后采用 4% 硝酸酒精溶液腐蚀金相，采用饱和苦味酸溶液 + 缓蚀剂腐蚀原始奥氏体晶粒，在 Carl Zeiss Axio Imager A1m 显微镜进行组织观察; 采用 ZEISS EVO18 扫描电镜观察微观组织形貌。

　　2 试验结果和分析

　　2. 1 淬火冷速的影响

　　图1 为不同冷速淬火再经 640 ℃回火后的试验钢力学性能。从图1( a) 可以看出，抗拉强度在冷速 0. 05 ℃ / s 时最低，在 0. 2 ～ 2 ℃ / s 时基本保持不变，在 960 ～ 970 MPa 附近。随着冷速的升高，屈服强度由 796 MPa 升高到 879 MPa，屈强比由 0. 83 升高到 0. 91，- 40 ℃ 冲击吸收能量则由 9 J 升高到 51 J( 图 1( b) ) 。试验钢在冷速为 2 ℃ / s 时具有最好的强韧性匹配。

　　不同冷却速度下的淬火显微组织如图 2 所示。在冷速为 0. 05 ℃ / s 时，组织以粒状贝氏体为主，存在大量的 M /A 组元，由于冷却速度较慢，部分残留奥氏体分解，析出碳化物。当冷速达到 0. 2 ℃ / s 时，在奥氏体晶界或晶内形成条状贝氏体铁素体，组织仍以粒状贝氏体为主，析出的碳化物数量少于 0. 05 ℃ / s 时的数量。当冷速达到 1 ℃ / s 时，出现板条状的贝氏体和马氏体组织，同时含有一定量的粒状贝氏体。当冷速达到 2 ℃ / s 时，组织以板条状的马氏体和贝氏体为主。随着冷却速度提高，组织中粒状贝氏体逐渐减少，板条状马氏体和贝氏体组织出现并逐渐增加。不同冷速下得到的不同淬火组织，回火后强度和韧性差别很大。低冷速下得到的粒状贝氏体组织，回火后强度和韧性较差，高冷速得到的马氏体和贝氏体组织，回火后强度较高，韧性优异。

　　2. 2 两次淬火的影响

　　试验钢两次淬火再经 640 ℃回火后的力学性能如图 3 所示，抗拉强度、屈服强度、屈强比和冲击性能的变化规律与一次淬火接近。抗拉强度在冷速 0. 05 ℃ / s 时最低，在 0. 2 ～ 2 ℃ / s 时基本保持不变; 随着冷却速度的提高，屈服强度、屈强比和冲击吸收能量逐渐升高。在冷速小于 1 ℃ / s 时，冲击吸收能量增加明显; 在冷速大于 1 ℃ / s 时，随冷速提高冲击吸收能量增加缓慢。在冷却速度达 1 ℃ / s 以上时，得到的强韧性匹配较好。

　　与一次淬火相比，不同冷速下两次淬火后试样屈服强度均有所提高，抗拉强度变化不大，屈强度比提高。两次淬火冲击吸收能量的提高幅度随着冷速的提高而降低，0. 2 ℃ / s 时冲击吸收能量由 17 J 提高到 27 J，提高幅度较大，而在 2 ℃ / s 时，冲击吸收能量由 51 J 提高到 54 J，幅度很小。

　　相关知识推荐：期刊发表论文时间大约多久

　　与一次淬火相比，相同冷速下两次淬火后的组织没有明显差别，但是原始奥氏体晶粒尺寸明显细化 ( 如图 4 ( a，b) ) ，一次淬火原始奥氏体晶粒尺寸为 14. 5 μm，两次淬火后原始奥氏体晶粒尺寸为 10. 8 μm，回火后组织中板条束的尺寸同样细化( 如图 4( c，d) 箭头所示) 。根据 Hall-Petch 公式: σy = σ0 + kyd - 1 /2 ，晶粒尺寸减小，屈服强度增加。同时晶粒尺寸减小，晶界增多，相邻晶界具有不同的位相，阻碍裂纹扩展，当裂纹穿过晶界后，滑移方向和裂纹扩展方向会发生改变[9-10]，消耗更多的能量。因此晶粒细化，有利于低温冲击性能提高。

　　2. 3 二次淬火温度的影响

　　试验钢不同温度二次淬火再经 640 ℃ 回火后的力学性能如图 5 所示。当二次淬火温度处于两相区 ( 770 ℃ ～ 830 ℃ ) 时，随着淬火温度的升高，抗拉强度和屈服强度是逐渐提高的，冲击吸收能量先提高后降低。当温度处于奥氏体区( 870 ～ 930 ℃ ) 时，随着二次淬火温度的升高，冲击吸收能量逐渐提高，抗拉强度、屈服强度和屈强比在 870 ～ 910 ℃ 时基本保持不变，在 930 ℃ 时，抗拉强度和屈服强度稍有降低，屈强比升高。

　　图 6 为试验钢不同温度二次淬火再经 640 ℃回火后的组织。在亚温 770 ℃ 二次淬火后回火，组织以贝氏体和铁素体为主( 图 6( a) ) ; 随淬火温度的升高，铁素体逐渐减少，贝氏体增加，在 830 ℃ 时，组织以贝氏体为主( 图 6( b) ) ; 完全奥氏体区 890 ℃ 二次淬火后回火，组织以贝氏体为主，含有少量的回火索氏体组织 ( 图 6( c) ) ; 930 ℃ 二次淬火后回火，组织中回火索氏体数量增加( 图 6( d) ) 。

　　在 770 ℃二次淬火时，新生奥氏体优先在原始奥氏体晶界、晶内缺陷和富 C 区中形核长大。新生奥氏体在长大时受到未溶铁素体的阻碍[11]，淬火后形成交织分布的贝氏体和铁素体，以及 M /A 组元。在回火过程中，部分 M /A 组元分解，但仍有大量富 C 的 M /A 组元保留下来，在晶界和铁素体基体上成长条状分布 ( 图 7( a) ) 。回火后，晶粒粗大，组织为交织分布的贝氏体和铁素体，含有大量未分解的 M /A 组元，强度较低，韧性较差。M /A 组元的含量和形态对高强钢的韧性有很大影响，大尺寸的 M /A 组元容易造成应力集中，形成微裂纹，恶化韧性。随着淬火温度的升高，奥氏体体积分数逐渐增加，内部含 C 量减少，淬火后形成的贝氏体相对容易分解，同时残留的 M /A 减少，晶粒细化，强度韧性提高。当温度达到 830 ℃ 时，基本上完全奥氏体化，组织以贝氏体为主，铁素体消失，韧性下降。

　　当加热温度处于完全奥氏体区时( 870 ～ 930 ℃ ) ，淬火温度通过影响奥氏体晶粒尺寸和奥氏体中碳/合金元素含量进一步影响淬火后的组织。随淬火温度升高，合金元素碳化物更多的溶入到奥氏体中，淬火后的组织中碳及合金元素的过饱和度增大，淬透性增加。回火后组织中贝氏体含量减少，回火索氏体体积分数增加( 图 6( d) ) ，同时高温回火处理后析出的碳化物数量和均匀度相应提高[12]，有利于提升钢的强度与韧性。淬火温度升高，晶粒尺寸长大，在 930 ℃时开始对强度有所影响。相比亚温淬火，完全奥氏体淬火后回火组织为平行排列的贝氏体或马氏体板条，没有铁素体，因此强度和屈强比升高。

　　3 结论

　　1) 淬火冷速对钢板的组织和性能有较大的影响，在 0. 05 ～ 2 ℃ / s 冷速范围内，随着冷却速度提高，组织中粒状贝氏体减少，马氏体增加，强韧性提高。

　　2) 两次淬火使原始奥氏体晶粒尺寸进一步细化，不同冷速下，屈服强度和低温韧性均有明显提高，改善钢板综合性能。

　　3) 当二次淬火温度位于完全奥氏体区时，随淬火温度升高，韧性逐渐提高，但当位于两相区时，由于存在大量回火未分解的 M /A 组元，造成韧性较差。——论文作者：杨汉，曲锦波，陆春洁

　　参考文献:

　　[1]杨才福，苏航. 高性能船舶及海洋工程用钢的开发[J]. 钢铁， 2012，47( 12) : 1-8. Yang Caifu，Su Hang. Research and development of high performance shipbuilding and marine engineering steel[J]. Iron and Steel，2012， 47( 12) : 1-8.

　　[2]潘涛，王小勇，苏航，等. 合金元素 Al 对微 B 处理特厚钢板淬透性及力学性能的影响[J]. 金属学报，2014，50( 4) : 431-438. Pan Tao，Wang Xiaoyong，Su Hang，et al. Effect of alloying element Al on hardenability and mechanical properties of micro-B treated ultraheavy plate steels[J]. Acta Metallurgica Sinica，2014，50 ( 4 ) : 431-438.

　　[3]王小勇，潘涛，王华，等. 淬火工艺对 Ni-Cr-Mo-B 超厚钢板心部力学性能的影响[J]. 钢铁，2012，47( 6) : 79-83. Wang Xiaoyong，Pan Tao，Wang Hua，et al. Effect of quench process on mechanical properfies of the center of the Ni-Cr-Mo-B ultra-thick steel plate[J]. Iron and Steel，2012，47( 6) : 79-83.

　　[4]Khani Sanij M H，Ghasemi Banadkouki S S，Mashreghi A R，et al. The effect of single and double quenching and tempering heat treatmentson the microstructure and mechanical properties of AISI 4140 steel[J]. Materials and Design，2012，42: 339-346.

　　[5]Liu J，Yu H，Zhou T，et al. Effect of double quenching and tempering heat treatment on the microstructure and mechanical properties of a novel 5Cr steel processed by electro-slag casting[J]. Materials Science & Engineering A，2014，619A: 212-220.

　　[6]Xiong X S，Yang F，Zou X R，et al. Effect of twice quenching and tempering on the mechanical properties and microstructures of SCRAM steel for fusion application[J]. Journal of Nuclear Materials，2012， 430: 114-118.

　　[7] 杨世伟，施月杰，吴晓朝，等. 多次循环淬火工艺参数对 10Ni5CrMoV 晶粒细化的影响[J]. 机械工程材料，2011，35( 8) : 5-8. Yang Shiwei，Shi Yuejie，Wu Xiaochao，et al. Effect of process parameters of multiple circular quenching on grain refining of 10Cr5CrMoV steel[J]. Materials for Mechanical Engineering，2011， 35( 8) : 5-8.

　　[8]杨明刚，胡艳华，余占军. 循环热处理超细化 38CrSi 钢晶粒[J].金属热处理，2015，40( 1) : 128-130. Yang Minggang，Hu Yanhua，Yu Zhanjun. Grain ultra-refinement of 38CrSi steel with cyclic heat treatment[J]. Heat Treatment of Metals， 2015，40( 1) : 128-130.

　　[9]张小立，冯耀荣，庄传晶. 高钢级管线钢中有效晶粒尺寸及与 CVN 关系研究[J]. 材料工程，2008( 7) : 1-5. Zhang Xiaoli，Feng Yaorong，Zhuang Chuanjing. Study on the effective particle size of high grade pipeline steels and relationship between CVN [J]. Journal of Materials Engineering，2008( 7) : 1-5.

　　[10]Wang C F，Wang M Q，Shi J，et al. Effect of Microstructure refinement on the strength and toughness of low alloy martensitic steel[J]. Journal of Materials Science & Technology，2007，23( 5) : 659-664.

　　[11]万德成，余伟，李晓林，等. 淬火温度对 550 MPa 级厚钢板显微组织和力学性能的影响[J]. 金属学报，2012，48 ( 4 ) : 455-460. Wan Decheng，Yu Wei，Li Xiaolin，et al. Effect of quenching temperature on microstructure and mechanical properties of 550 MPa grade thick steel plate[J]. Acta Metallurgica Sinica，2012，48( 4) : 455-460.

　　[12]康健，卢峰，王昭东，等. 工程机械用 960 MPa 级调质钢板的淬火工艺研究[J]. 东北大学学报( 自然科学版) ，2011，32 ( 1) : 52-55. Kang Jian，Lu Feng，Wang Zhaodong，et al. Study on quenching process of 960 MPa quenched and tempered steel plates for construction machinery [J]. Journal of Northeastern University ( Natural Science) ，2011，32( 1) : 52-55.