生产工艺对690MPa级工程机械用钢组织与力学性能的影响

惠亚军，赵爱民，赵征志，黄 耀，李文远

（北京科技大学冶金工程研究院，北京100083）

0 引 言

新型超细低碳贝氏体钢是国家新一代钢铁材料重大基础研究的一项重要成果，它是在充分利用近代物理冶金原理的基础上，采用弛豫－析出－控制相变（RPC）技术开发的新一代高强韧、低成本、节能环保型超细组织钢［1］。该钢具有生产工艺简单、节省能源、强韧性好、易于成型以及优良的焊接性能等优点，目前已广泛应用于工程机械、造船和石油天然气输送管线等行业［2］。在钢的各种强化机制中，只有组织细化才可以在提高强度的同时提高或改善其韧性，因此细化超低碳贝氏体钢的有效晶粒尺寸是进一步提高其综合性能的有效途径［3－5］。而RPC技术能大幅细化低碳贝氏体钢的组织，得到长4～6μm、宽3～4μm的贝氏体板条束，而且板条内部存在高密度位错和大量析出物，因此可以大幅提高其综合力学性能，高温回火后这种钢的屈服强度可达到800MPa，塑性、韧性均很好［6－7］。通过改变工艺来获得更高强韧性的研究吸引了人们的注意，如何获得更细的组织更是研究的重点。

在此基础上，作者设计了一种铁锰铌铜硼系超低碳贝氏体型高强度（690MPa）工程机械用钢，研究了不同生产工艺对试验钢的组织和力学性能的影响，探讨了超低碳贝氏体钢获得高强韧性的机制，从而为高强工程机械用钢开发与生产提供参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验用钢在50kg真空感应炉上冶炼，主要化学成分如表1所示。

表1 试验钢的化学成分 （质量分数）Tab.1 Chemical composition of experimental steel（mass）%

冶炼后将钢锭热锻成60mm×80mm×100mm的热轧坯，经6道次轧制成厚6mm的钢板，轧制道次厚度变化为60mm→41mm→27mm→17mm→11mm→8mm→6mm。根据试验钢的化学成分特点，确定加热温度为1 200℃，保温时间为1h，分两个阶段来控制轧制，粗轧开轧温度为1 150℃，高温阶段轧制温度控制在1 000℃以上，目的是通过轧制道次之间组织的反复再结晶充分细化奥氏体晶粒；精轧阶段的开轧温度控制在950℃以下，精轧压下率大于60%，目的是通过非再结晶区内的变形，使相变时的形核位置增加，终轧温度设定为850℃。随后进行不同制度的冷却。一部分试验钢采用RPC技术，轧后弛豫一段时间到780℃，然后以15℃·s－1左右的冷速冷却到350℃后放入保温炉，保温1h后随炉冷却以模拟卷取工艺，记为试验钢1；另一部分试验钢终轧后以15℃·s－1左右的冷速直接冷到350℃模拟卷取，记为试验钢2。

1.2 试验方法

从两种不同工艺轧后的钢板上切取金相试样，沿着轧向研磨和抛光后，用4%（体积分数，下同）的无水乙醇硝酸溶液腐蚀后，采用Zeiss Axiovert 40MAT型光学显微镜和LEO－1450型扫描电镜观察微观组织；根据GB／T 228－2002，在轧后钢板上沿轧向切取标距为50mm的拉伸试样，在CMT4105型万能拉伸试验机上以2mm·min－1的拉伸速度进行室温拉伸试验；采用5mm×10mm×55mm的夏比非标准冲击试样在JB－30B型冲击试验机上进行冲击试验，试验温度为－20℃；透射电镜（TEM）薄膜试样的制取是将试样机械减薄至60μm，然后将薄片放置在直径为3mm的打孔机上冲下圆片，再电解双喷至穿孔，电解液为5%的高氯酸酒精溶液，双喷工作电压为35～45V，最后用JEM－2000FX型透射电镜对组织的精细结构和析出物进行观察。

2 试验结果与讨论

2.1 力学性能

从表2可以看出，两种钢都具有较低的屈强比，而且与未经RPC处理的试验钢2相比，经过RPC处理的试验钢1的综合力学性能更优。

表2 试验钢的力学性能Tab.2 Mechanical properties of test steels

2.2 微观组织

由图1和图2可见，试验钢1和试验钢2的组织都是由板条贝氏体、粒状贝氏体和针状铁素体组成的混合组织，原奥氏体晶粒被压扁拉长，原奥氏体晶界清晰可见；而且试验钢1的组织比试验钢2的更加细小。由于在非再结晶区的变形量较大，原奥氏体晶粒明显被压扁拉长，晶界清晰，板条束由晶界开始生长，板条细小且在不同晶粒内板条束取向差异明显，板条间有残余奥氏体薄膜存在，同时还有少量M／A岛沿界面分布，呈岛状和长条状，在扫描电镜下M／A岛为亮白色。M／A岛的形成是因为在贝氏体相变过程中，碳原子不断地从贝氏体基体向奥氏体中扩散，使得剩余奥氏体内逐渐富碳，但岛内的碳含量富集程度尚未达到能析出碳化物的水平，故成为富碳奥氏体岛，在冷却过程中一部分将转变成马氏体［8］。同时可以看到板条贝氏体束相互咬合，交错分布于晶内，分割和细化了晶粒。

由图3可见，试验钢1和试验钢2的组织均以板条贝氏体为主，是切变和扩散混合型转变产物，原奥氏体晶界被保留，铁素体呈板条状平行排列形成板条束，板条间为小角度晶界，板条束之间为大角度晶界。铁素体板条在TEM下则可清晰辨认。不同位向的板条束将原始奥氏体晶界分割成不同的区域，勾勒出原始奥氏体晶界。板条间分布着薄膜状或针状M／A岛，铁素体内存在较高的位错密度［8］。

试验钢1的精细组织是由边界平行的板条组成，板条宽度在0.2～0.3μm之间，比在扫描电镜下观察到的板条宽度还窄，这是因为有些板条间的界面在扫描电镜下难以分辨，被看成了一个板条；并且还可以看到板条贝氏体束相互咬合，交错分布于晶内，分割和细化了晶粒，在同一个板条束内板条间取向差不大；板条内存在大量位错，位错密度不均匀，一部分位错相互缠结成团，还有小部分位错分布相对均匀。有研究表明［9］，试验钢1中观察到的位错由两部分组成：一部分是在奥氏体非再结晶区轧制时产生的，并在RPC处理时被析出物钉轧；另一部分位错是在随后冷却过程中发生贝氏体转变时形成的。

试验钢2的精细组织也是由板条组成，板条边界平直，板条宽度大小不一，大部分板条宽度分布在0.3～0.5μm之间，有的板条宽度达到了0.7μm左右，边界分布着残余奥氏体，有的呈膜状，有的呈岛状或者块状，板条内分布着大量位错。

2.3 讨 论

由于超低碳贝氏体钢中一般会加入一定量的铌、钛等沉淀硬化微合金元素，因此在终轧后的弛豫过程中，微合金元素会以（Nb，Ti）（C，N）的形式应变诱导析出，析出的微细碳氮化物可成为新相的形核中心，从而增大形核量引起组织细化；另外，试验钢在非再结晶区大变形所造成的高密度位错在弛豫过程中会发生回复，大量的位错弛豫发生多边形化，多边形的位错墙既可成为形核的优先位置促进形核，也可以在新相生长过程中限制贝氏体组织的长大，从而使贝氏体组织细化［10］。试验钢1在终轧后空冷到780℃进行了一段时间的弛豫，由图2可见，其组织含有部分针状铁素体，它们把原奥氏体晶粒分割成很多小区域，限制了随后板条的长大，获得的组织比未经RPC处理的试验钢2更细小。组织细化强化是唯一能同时提高强度和塑性的强化方式，所以其强度和韧性比试验钢2的更优。根据GB 1591－2008可知，两种试验钢都达到了Q690钢的性能要求，但是试验钢2的屈服强度富余不多，而试验钢1则获得了强度与塑性更优的综合力学性能。

3 结 论

（1）试验钢在两种不同工艺条件下均获得了由板条贝氏体、粒状贝氏体与针状铁素体的组成混合组织，并以板条贝氏体为主；终轧后经弛豫处理的试验钢，其组织比未经弛豫处理的更加细小。

（2）终轧后经弛豫处理的试验钢比未经弛豫处理的具有更优的综合力学性能，且二者均符合GB 1591－2008的要求。

［1］贺信莱，尚成嘉，杨善武，等.高性能低碳贝氏体钢［M］.北京：冶金工业出版社，2008.

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