低温回火对Ni-Cr-Nb-Ti贝氏体钢组织及冲击性能的影响

商 艳，赵 亮，张学萍，高景龙

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

低温回火对Ni-Cr-Nb-Ti贝氏体钢组织及冲击性能的影响

商 艳，赵 亮，张学萍，高景龙

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

通过对一种Ni-Cr-Nb-Ti 贝氏体钢进行直接低温回火热处理，研究较低的回火温度及不同保温时间对实验钢组织和冲击性能的影响。采用光学显微镜和扫描电子显微镜对组织形貌进行了观察分析，采用冲击试验和硬度检测，研究实验钢热处理前后的性能变化。结果表明：在180℃低温回火后，保温60～90min时，实验钢的硬度变化较小，冲击吸收功比原始试样提高70多J，获得了较好的综合性能，同时节约了生产成本。

Ni-Cr-Nb-Ti；贝氏体；低温回火；冲击韧性

合金元素少量多样，碳含量较低，强度较高，塑韧性较好的低碳低合金贝氏体钢，近年来受到了广大学者和生产厂家的广泛关注。同时贝氏体钢的产品一经产出，就在工程机械、压力容器、造船和石油天然气输送管线等行业获得了广泛的应用[1-2]，进而引起了研究者们对低碳贝氏体钢的潜在性能的又一轮研究热潮。轧后的高温回火热处理可以显著提高低碳贝氏体钢的综合力学性能[3]，早已得到了学者们的一致共识，而且这方面的研究非常多[4-7]。但是，对于低碳低合金贝氏体钢较低温度直接回火的热处理研究鲜有报道。

本文以一种合金元素种类较多的Ni-Cr-Nb-Ti贝氏体钢为研究对象，主要研究轧后不同温度及不同保温时间的低温回火热处理过程。观察分析回火前后微观组织和内部微观结构，并对冲击性能进行测试，探讨回火过程对实验钢组织形态及冲击性能的影响，并讨论性能变化的机理与组织转变之间的关系。实验结果可以为实际生产中热处理工艺制定提供参考。

1 实验材料及实验方法

实验用钢为一种合金元素种类较多的Ni-Cr-Nb-Ti低碳低合金型钢种，其成分如表1所示。

表1 Ni-Cr-Nb-Ti贝氏体钢的化学成分 wt.%

实验钢在真空电炉中炼制成坯料，将坯料在高温电阻炉中加热至1250℃，保温2h，利用φ450mm二辊可逆式热轧机进行热轧成型，粗轧温度在1000～1150℃，压下量在60%～70%，终轧温度控制在800℃，厚度在12mm左右，实验钢板随后以25～30℃/s的冷却速度冷却至室温。轧后的直接低温回火实验过程分二部分，第一部分进行回火温度的研究，直接低温回火实验选取回火温度为150～330℃，温度间隔30℃，回火时间为1h；第二部分实验是基于第一组实验的实验结果，选取一组回火温度，改变回火过程的保温时间，时间选取为15～180min，时间间隔为15min。

实验钢加热过程选用SRJX-4-13型高温箱式电阻炉；组织观察采用Olympus光学显微镜及扫描电子显微镜进行；采用HR-150A型洛氏硬度计测量实验钢的硬度值；采用冲击试验机测定实验钢的冲击吸收功，冲击试样为国标试样，尺寸为10mm×10mm×55mm，开“V”口。

2 实验结果

2.1 回火过程的组织演变

2.1.1 不同温度直接低温回火组织研究

图1为实验钢热轧后的微观组织图片及部分低温直接回火后的组织图片。从图1中可以看出，Ni-Cr-Nb-Ti贝氏体钢在未经热处理前的原始组织主要由板条贝氏体和粒状贝氏体及少量针状铁素体组成(见图1a)，其粒状贝氏体是由块状(等轴状)的铁素体和分布其中的岛状(颗粒状)富碳奥氏体所构成的复相组织(见图1e)图中大块的组织为板条贝氏体，小块的组织为粒状贝氏体。随着回火温度的升高，实验钢的微观组织变化较小，在金相显微镜下，几乎看不出差别(见图1a、1b、1c、1d)。组织总体特征，晶粒比较细小，均为复相组织。对实验钢原样和回火试样组织进行5000倍放大后，对比可见进行低温回火热处理后，试样的微观组织中的粒状贝氏体有变细的趋势，对比原始组织与低温180℃保温60min的SEM图片可见明显的粒状贝氏体组织的细化(见图1e、1f)。

图1 实验钢不同温度直接低温回火的微观组织

图1a、1b、1c、1d分别为原始组织、回火温度180℃、270℃、330℃，保温60min的金相组织；图1e、1f为原始试样和回火温度180℃的SEM组织

2.1.2 回火温度相同，保温时间不同

图2是实验钢在180℃回火，保温不同时间得到的部分组织图。由于实验钢的组织非常细小，金相组织图仍很难区分。对比实验钢SEM图可见，保温15min时，组织中可以发现很多比较粗化的片层状的贝氏体以及组织中晶粒大小不一(见图2e)；保温90min时，粒状贝氏体为主，实验钢的组织成分产生了均匀化，而且粒状贝氏体明显发生了细化(见图2f)；当保温180min时，组织中出现了长大的晶粒(见图2g)。

图2 180℃保温不同时间的微观组织

图2a、2b、2c、2d分别为保温时间为15min、60min、90min、180min的金相组织；图2e、2f、2g分别为保温时间为15min、90min、180min的SEM组织。

2.2 钢板回火后的硬度与冲击吸收功变化

图3为实验钢经过不同温度及不同保温时间直接低温回火后的力学性能。从图3a中可以看出，与热轧后钢板的性能相比，低温回火后实验钢的硬度基本没有变化，而冲击吸收功都明显高于原始试样，另冲击吸收功在180℃回火时，达到289J，为本次实验中的最高值，最低值为240℃回火时的232J，都高于原始试样的225J。实验过程从节能的角度出发，选取180℃作为比较合适的直接低温回火的回火温度，进行不同保温时间的研究。在180℃对Ni-Cr-Nb-Ti贝氏体钢进行不同保温时间的实验后，从实验结果可以看出，由于是低温回火热处理过程，因而保温时间的延长对实验钢的硬度影响也不大，几乎为一条直线，而冲击吸收功则出现了明显的峰值，在保温时间为60～90min时，冲击吸收功与原始试样的差值达到70多J。而且在保温120min时又出现了较低点，而后随着时间的进一步延长，冲击吸收功持续较低(见图3b)。

图3 回火温度对低碳低合金贝氏体钢性能的影响

2.3 断口扫描实验

图4为对热轧后原始试样及对试样进行180℃低温回火，并保温90min后的试样的冲击断口进行SEM观察后的形貌。图4a中有明显的解理平面和一部分韧窝，而图4b为大部分的韧窝形貌。回火后实验钢的冲击断口为典型的韧性断裂特征。

(a)原始试样 (b)180℃回火，保温90min

图4 实验钢冲击试样的断口图

3 分析与讨论

Ni-Cr-Nb-Ti贝氏体钢在控制轧制和控制冷却过程中，会在贝氏体板条内及铁素体基体中产生大量的位错，使原始组织中位错密度较高，而且残余应力较大，造成热轧后的实验钢硬度较高，而冲击韧性略差。对热轧后的Ni-Cr-Nb-Ti贝氏体钢进行低温直接回火处理，由于回火时位错的回复，残余应力明显降低，粒状贝氏体中M/A岛的变细，对裂纹的萌生和扩展产生影响，另外，回火使板条贝氏体及针状铁素体中的碳元素均匀化，改善了组织的塑形，这些因素均提高了实验钢的韧性。因而，控轧控冷后直接低温回火可以较好地改善实验钢的冲击性能保证硬度不降低并节约生产成本。

由于热处理过程中回火温度较低，组织中的析出过程不明显，组织变化主要体现在位错线的偏移和消失及残余应力的减小为主，还有贝氏体组织中M/A岛的变化来体现。实验钢未经热处理前的原始组织主要由板条贝氏体和粒状贝氏体及少量针状铁素体组成。热轧后试样原始组织中粒状贝氏体组织含量较高且较粗大(见图1e)，该岛状相由M/A两相组成，在贝氏体相变中，C原子不断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，但岛内碳含量尚不够达到能析出碳化物的水平，故形成富碳奥氏体岛，粒状贝氏体中M/A岛的数量、分布和形态都对组织和韧性有重要影响[8]，热轧态实验钢组织中部分粗大M/A岛本身不具备大的塑形变形能力，容易诱发裂纹并裂纹长大的后期裂开，造成解理断裂从而降低韧性[9]。而在细小的M/A岛处不容易形成裂纹，且裂纹扩展到细小的M/A岛处时，会发生路径的偏转，使裂纹扩展减缓[10]。因而，回火后尺寸较小，分布较弥散的M/A岛，可有效改善冲击韧性。实验钢在经过180℃的低温回火后的组织中，均出现比较细小的M/A岛(见图1f、图2f)。

另外，低温回火过程提供的能量有限，实验钢的组织中不会出现较大的变化，但基体内部的位错密度会不断降低，进而形成稳定有序的位错，增加基体的塑性，从而增大了裂纹在基体上扩展的能量消耗；另外，组织中碳原子的短程扩散，改善了微观组织的成分均匀性，增加组织的塑性形变均匀性，可以减少应力集中，减少裂纹产生的可能性；再有，碳原子扩散到晶界，位错迁移到晶界，使晶界获得了强化，可以防止裂纹沿晶界的形核和扩展，以上几种因素均使回火后的实验钢韧性得到改善。

4 结论

(1)Ni-Cr-Nb-Ti贝氏体钢的原始组织为板条贝氏体和粒状贝氏体及少量针状铁素体混合组织，实验钢在不同温度及不同保温时间的低温回火后的组织演变主要表现为位错线的偏移及消失和残余应力的减小及粒状贝氏体组织中M/A岛的细化。

(2)低温回火后实验钢的硬度基本没有变化，而冲击吸收功都明显高于原始试样，另冲击吸收功在180℃回火时，达到289J，为本次实验中的最高值，最低值为240℃回火时的232J，都高于原始试样的225J。

(3)对Ni-Cr-Nb-Ti贝氏体钢进行180℃低温回火，并保温60～90min时，实验钢的硬度变化较小，冲击吸收功比原始试样提高70多J，获得了较好的综合性能，同时节约了生产成本。

[1]陈林恒，康永林，黎先浩,等.回火温度对600MPa级低碳贝氏体钢组织和力学性能的影响[J].北京科技大学学报，2009,31(8):983-987.

[2]Rodrigus P C M,Pereloma E V,Santos D B.Mechanical properties of HALA bainitic steel subjected to controlled rolling with accelerated cooling[J].Mater.Sci.Eng.A,2000,283(42):136-146.

[3]高古辉，张寒，白秉哲.回火温度对Mn系低碳贝氏体钢的低温韧性的影响[J].金属学报，2011,47(5):513-519.

[4]卢峰，康健，王超,等.回火温度对Q690级高强结构钢组织及力学性能的影响[J].钢铁，2012,47(2):92-95.

[5]孙明雪，王猛，衣海龙,等.回火温度对低碳贝氏体高强度钢组织性能的影响[J].东北大学学报(自然科学版)，2013,34(12):1725-1729.

[6]Aydin H,Essadiqi E,Jung I H,et al.Develoqment of 3rd generation AHSS with medium Mn contentalloying compositions[J].Materials Science Engineering A,2013,564(65):501-508.

[7]鲁修宇，刘静，贾涓，等.回火温度对高强度低碳贝氏体钢组织性能的影响[J].金属热处理，2012,37(1):72-76.

[8]SJ Sun,X J Wang,M Qin，et al.Enhanced work-hardening behavior and mechanical properties in ultrafine-grained steels with large-fractioned metastable austenite[J].Scripta Materialia,2010,63(27):815-818.

[9]Dan W J,Li S H,Zhang W C,et al.The effect of strain-induced martensite transformation on mechanical properties of TRIP steel[J].Material Design,2008,29(15):601-612.

[10]Jung Y S,Lee Y K,Matlock D K,et al.Effect of grain size on strain-induced martensitic transformation start temperature in an ultrafine grained metastable austainitic steel[J].Metals and Materials International,2011,17(8):553-556.

(责任编辑：马金龙)

Effect of Low-temperature Tempering on Microstructure and Impact Toughness of Ni-Cr-Nb-Ti Bainite Steel

SHANG Yan，ZHAO Liang，ZHANG Xueping，GAO Jinglong

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159, China)

The influence of tempering temperature and different holding time were investigated on microstructure and impact toughness of a kind of Ni-Cr-Nb-Ti bainite steel. With optical microscopy and SEM, the microstructure were observed. With impact test, hardness test, mechanical properties were gained. The result shows that with temperature at 180℃ and holding for 60～90 minutes, the tested steel obtains better combination property and saves the cost of production.

Ni-Cr-Nb-Ti;bainite steel;low-temperature tempering;impact toughness

2015-03-24

沈阳理工大学重点实验室开放基金

商艳(1975—)，女，副教授，研究方向：金属材料热处理及表面处理技术.

1003-1251(2015)04-0010-05

TG142.1

A