冷却工艺对Q235低碳钢组织及性能的影响

李雨森，杨跃辉，李敬，苑少强（.唐山盾石机械制造有限责任公司，河北唐山06300；.唐山学院机电工程系，河北唐山063000）

冷却工艺对Q235低碳钢组织及性能的影响

李雨森1，杨跃辉2，李敬2，苑少强2
（1.唐山盾石机械制造有限责任公司，河北唐山0630202；2.唐山学院机电工程系，河北唐山063000）

将Q235B低碳钢奥氏体化后采用不同的方式进行冷却，得到不同类型的显微组织，然后测定了其力学性能，试验结果表明:实验钢930℃等温20min后，随炉冷却得到铁素体和少量珠光体组织；空冷时出现大量的魏氏体，而淬火（水冷）形成板条马氏体。轧态、空冷和随炉冷却后的应力应变曲线虽然都有明显的屈服平台，但组织中存在粗大的多边形铁素体时加工硬化指数相对较高。淬火组织的应力应变曲线则表现为连续屈服。

低碳钢；冷却方式；应力应变曲线；力学性能

研究表明：单相组织的钢铁材料具有更优的抗腐蚀性[1]，而目前为提高其力学性能，钢铁材料基本采用多相的组织构成。因此，开发具有双峰尺度晶粒尺寸分布的钢铁材料不但可以获得更佳的综合力学性能，而且也有利于耐蚀性的改善。文献[2]采用冷轧后退火的工艺制备出微米和亚微米双峰尺度分布的不锈钢，具有良好的综合力学性能。因此，如果将此种工艺应用到普通低碳钢上，对低碳钢性能的升级，应用领域的拓展将提供有益的借鉴与参考。本文以Q235B为研究对象，通过不同冷却方式观察其组织转变，并测试力学性能的变化，为低碳钢双峰尺寸分布组织的制备工艺研究提供基本实验数据。

1 试验材料与方法

试验用Q235B商用热轧钢板，厚度为6mm.其化学成分为：w（C）0.14，w（S i）0.16，w（M n）0.70，w（P）0.015，w（S）0.008.在箱式电阻炉中进行加热，热处理过程如图1所示。热处理后的试样磨面经2%硝酸乙醇溶液侵蚀大约25 s后，在B X41M奥林巴斯正置光学显微镜下观察显微组织，拉伸实验在M TS810型拉伸试验机上进行，利用H D9-45型表面洛氏维氏硬度计测定维氏硬度（H V），选用载荷为294N.

2 试验结果及讨论

2.1 试验钢不同冷却方式下的组织形貌

试验用Q235B钢供货状态为热轧卷板，厚度为6mm，组织为典型的铁素体+珠光体组织，如图2所示。其中，铁素体晶粒呈多边形，珠光体离散分布并连接成条状，渗碳体细节不明显。

图1 低碳钢热处理工艺示意图

图2 Q235低碳钢的轧态组织形貌

按照试验钢的成分计算其相变点为860℃，因此加热至930℃保温20m in后，能够实现完全奥氏体化。经三种不同方式冷却后获得的显微组织如图3所示。可见，随炉冷却后得到平衡态的多边形铁素体和珠光体组织，其中铁素体晶粒为等轴状，由于碳和锰含量较低，珠光体数量较少；空冷后的组织中则出现了大量的魏氏体组织，这可能是由于加热后获得奥氏体晶粒较为粗大，且样品较小，空冷冷速较快，因此促进了魏氏体产生[3]，如图3b）所示。奥氏体化后淬火，形成典型的低碳板条状马氏体组织，板条特征明显，且原奥氏体晶界基本可见，而在原奥氏体晶界处，仍可见少量细针状的的铁素体，这表明试验钢的淬透性较低，在水冷的条件下在晶界处仍形成了少量的铁素体，但由于快速冷却至室温，这些铁素体只能沿着奥氏体的一定晶面向晶内生长，如图3c）所示。

2.2 试验钢在不同冷却方式下的力学性能

表1是四种热处理工艺下的力学性能测试结果，可见，试验钢的轧态、空冷和炉冷的塑性指标相近，轧态抗拉强度达到450M P a以上，而随炉冷却的试样属于平衡组织，因而具有最低的强度和最高的塑性，但硬度值最低。同时，由表1的数据及图3的结果可以看出，冷却速度越慢，组织类型越接近于平衡态，铁素体越表现出等轴晶的特征，材料的n值（加工硬化率）明显较高。这可能是由于等轴状的多边形铁素体中位错密度很低，发生塑性变形后位错密度快速上升，产生强烈的加工硬化，最终测得的n值明显上升；而当冷却速度加快时，相变后的组织中存在较多的位错，虽使得其强度上升，但加工硬化能力减弱，故测得的n值较低。这表明在细小的铁素体晶粒之间获得部分较大的多边形铁素体，得到双峰尺度铁素体组织，有利于获得相对较高的n值。

表1 低碳钢的力学性能指标

图3 不同冷却速度下的低碳钢组织形貌

2.3 试验钢在不同冷却方式下的应力应变曲线特征

通过应力应变曲线的分析，可以深入了解材料在外力作用下的变形过程，分析组织类型对其屈服及断裂过程的影响。室温下的拉伸结果如图4所示。从曲线形状上来看，随炉冷却和空冷条件下获得的试验钢的应力应变曲线与轧态实验钢的应力应变曲线基本相似，均具有明显的屈服平台。随后应力随应变缓慢上升，并在应变达到15%后趋于平稳，发生断裂时的应变量在35%～40%之间。炉冷试样由于强度较低，因此在拉伸过程中的各个阶段应力值相对较低。淬火条件下获得的试验钢的应力应变曲线则没有屈服平台。屈服平台是由于“柯氏气团”对位错的钉扎与脱钉产生的，在快速冷却组织中杂质原子来不及聚集于位错周围，对位错运动不产生钉扎，同时由图3可以看出水冷后的组织为低碳板条马氏体，其中存在大量的各类界面（如原奥氏体晶晶界、板条界、板条束界等），当位错运动至这些界面时即受到阻碍作用，产生强烈的加工硬化，因此在应力应变曲线上不存在屈服平台，但由于位错运动受阻也会导致内应力的产生，当局部内应力超过材料的断裂强度时即发生破坏，导致塑性变差，图4c）中水冷处理试样在应变10%左右时即发生断裂。

图4 不同冷却速度下低碳钢的ε-σ曲线

Q235钢是一种普通的C-M n钢，M n含量相对较低，没有添加合金元素，生产成本低，但附加值也低[4-6]。由以往研究结果可知，如果单相组织中有双峰尺寸分布的晶粒，对其力学性能将产生显著的有益影响，这正是开展普通低碳钢研究的必要性之一。本文的研究结果可以提供在基本热处理条件下的低碳钢的组织性能变化规律，为进一步深入开展双峰分布研究，提供数据参考。

3 结论

1）Q235B试验钢奥氏体化后随炉冷却、空冷及水冷，将得到平衡的铁素体+珠光体组织、魏氏体组织和板条马氏体组织，而粗大的多边形铁素体的存在有利于材料获得高的加工硬化指数。

2）轧态、空冷和随炉冷却后的应力应变曲线变化规律相似，具有明显的屈服平台；淬火组织中由于存在大量的界面缺陷阻碍位错运动，因此表现为连续屈服。

［1］郭佳，杨善武，尚成嘉，等.碳含量和组织类型对低合金钢耐蚀性的影响［J］.钢铁，2008，43（9）：58-62.

［2］武会宾，武凤娟，杨善武，等.微米/亚微米双峰尺度奥氏体组织形成机制［J］.金属学报，2014，50（3）：269-274.

［3］马泗春.材料科学基础［M］.西安：陕西科学技术出版社，1998.

［4］窦佩霞，王从道.Q235钢升级生产中的工艺技术研究［J］.南钢科技与管理，2013（2）：9-13.

［5］李茂林，张文广，杨承刚，等.超细晶粒Q235钢的制备研究［J］.热加工工艺，2013，42（24）：117-120.

［6］赵军，荆天辅，高聿，等.Q235钢超细晶粒钢板的制备［J］.热加工工艺，2003，32（4）：4-6.

Influence of Cooling Process on Microstructure and Mechanical Properties of Q235 Low Carbon Steel

LIYu-sen1，YANG Yue-hui2，LI Jing2，YUAN Shao-qiang2
（1.Tangshan DunshiMachinery CO.，LTD.，Tangshan Hebei063000，China；2.Departmentof Electromechanical Engineering，Tangshan College，Tangshan Hebei063000，China）

Differentmicrostructures have been obtained by means of different cooling process after austenization with hot rolled Q235B steel，then themechanical properties have also been measured.The experimental results demonstrates that:after isothermal holding at 930℃for 20min，followed by cooling in furnace，in air and quenched in water，the formation of ferrite with little pearlite，widmanstatten structure and martensite can be observed.The results of tensile testing show that theε-σcurves of samples rolled，cooled in furnace and in air all have obvious yielding flat，and the presence of coarse polygonal ferrite is beneficial to obtain high processing hardening index，while theε-σcurve of quenched sample is shown as continuous yield.

low carbon steel，cooling process，ε-σcurve，mechanical property

TG335.52

A

1674-6694（2017）03-0048-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.016

收修改稿日期:2017-04-05

李雨森（1962-），男，高级工程师，主要从事建材机械装备制造生产技术管理工作。