轧后冷却工艺对低碳低硅钢组织与性能的影响

2010-01-23罗国华范植金朱玉秀朱丛茂

武汉工程职业技术学院学报 2010年3期

罗国华范植金朱玉秀朱丛茂

(武钢研究院湖北武汉:430080)

低碳低硅钢中Si含量不大于0.1wt%,低硅有利于降低钢的应变硬化率,增强钢的冷加工性能。随着在低温地区的风电及建筑行业的发展,抗拉强度在500MPa以下的低碳低硅钢被广泛用于制造低强度紧固件,此类钢要求有优良的低温韧性,并具备良好冷加工性能。本文研究轧后喷水快冷至返红温度对低碳低硅钢的组织与性能的影响,为此类钢的生产及应用提供参考依据。

1 材料与试验方法

1.1 试验材料

试验钢的化学成分见表1,由50公斤真空感应炉冶炼后浇铸成钢锭,在800轧机上轧制成厚度为14mm的试板。试验钢加热温度1200℃,在一定温度下完成开轧与终轧。轧后采用喷水快冷工艺,在冷却时间一定的情形下,返红温度分别控制在550℃、600℃、650℃。

表1 试验钢化学成分(wt%)

1.2 试验方法

采用Φ10mm×220mm纵向拉伸试样,在万能拉伸试验机上进行室温下的拉伸试验。采用10mm ×10mm×55mm纵向夏氏 V型缺口试样,在ZBC2452型冲击试验机上进行室温、0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃系列温度冲击试验。采用光学金相显微镜观察试验钢的组织结构特征,利用Quanta400型扫描电镜(SEM)观察试验钢的高倍组织,利用J EM-2100F型透射电镜(TEM)观察分析精细组织结构。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能测试分析

对轧后快冷至不同返红温度的试验钢取样并进行力学性能测试,试验结果见表2及图1。从表2拉伸试验结果来看,返红温度在600℃～650℃,试验钢的拉伸性能结果没有显著差别,返红温度为550℃时,试验钢的强度有较大提高,抗拉强度达到520MPa,延伸率有所降低。从图1冲击试验结果来看,采用轧后快冷不同返红温度,试验钢的低温冲击韧性差别非常大。返红温度为600℃时,试验钢冲击韧性最好,-60℃以下进行冲击试验,仍然保持很高的冲击韧性,返红温度为550℃、650℃时,试验钢低温冲击功随测试温度的降低显著下降,韧脆转变温度显著升高。

表2 试验钢拉伸性能测试结果

2.2 金相组织及断口特征分析

对轧后快冷至不同返红温度的试验钢取金相样,并在光学显微镜下观察组织。图2(a)、(b)所示,返红温度控制在600℃以下,试验钢组织为铁素体+贝氏体+珠光体;返红温度650℃时,组织为铁素体+珠光体+沿晶碳化物,如图2(c)。

不同返红温度对试验钢低温冲击性能的影响

用扫描电镜作进一步观察,返红温度在600℃以下,钢中形成部分贝氏体,且返红温度越低贝氏体体积越大,数量越多,如图3(a,b)。返红温度达到650℃时,沿铁素体晶界有大量聚集、粗大的碳化物析出,如图3(c)。

返红温度控制在600℃以下时,-60℃低温冲击断口均呈现韧窝形貌,返红温度550℃时,断口韧窝没有被拉长,呈现等轴状(图4a);而返红温度600℃时,断口韧窝被明显拉长(图4b)。返红温度在650℃时,低温断口形貌为典型河流花样,属于脆性断口(图4c)。

3 讨论

采用轧后快速冷却工艺,加大了组织形核的过冷度,增大组织的形核速率,抑制组织长大速率,可以细化钢的组织[1],细化晶粒可以阻止裂纹形成及扩展,从而提高钢的韧性。如图2所示,试验钢组织晶粒度达10级,组织较为细小,从而保证钢的低温韧性。

由于返红温度以及冷却速度不同,在快速冷却后的连续冷却过程中,钢中碳扩散速率不同,发生较为显著不同的组织转变。快冷至600℃以下,试验钢组织发生了部分贝氏体转变,少量塑性好的贝氏体通过塑性变形有效缓解裂纹前端的三向应力集中,从而使韧性断裂机制增强[2,3],在晶粒大小相同情形下,铁素体+贝氏体+珠光体多相复合组织是大大提高试验钢韧性的关键因素。

图2 返红温度对试验钢金相组织的影响:(a)550℃;(b)600℃;(c)650℃

图3 返红温度对试验钢组织的影响:(a)550℃;(b)600℃;(c)650℃

图4 返红温度对试验钢-60℃冲击断口形貌的影响:(a)550℃;(b)600℃;(c)650℃

试验钢快冷后,返红温度为550℃,冷速加大,在轧制过程中形成的高密度位错在铁素体基体里得到更多保留(图5a),在铁素体基体中固溶的碳含量增加,强化了铁素体组织,位错运动阻力增大,并容易造成裂纹前端应力集中,使得钢的强度有所上升但塑性降低,低温冲击韧性有所下降。返红温度为600℃时,铁素体位错密度降低,钢的强度也有所下降,碳化物分散析出没有粗化(图5b),对低温韧性十分有利。返红温度在650℃以上,钢中不会出现贝氏体,温度越高,从奥氏体晶界析出碳化物越多,碳在晶界偏聚越严重,使碳化物越粗大且形状越不规则(图5c),这种粗大碳化物是导致低温冲击韧性显著下降的主要原因。