时效温度对含Cu高强钢组织和性能的影响

马长文 樊艳秋 李少坡 张 海 丁文华

(1.首钢集团有限公司技术研究院，北京 100043； 2.北京市能源用钢工程技术研究中心，北京 100043)

传统的高强度钢板是在低碳低合金钢的基础上，通过调质热处理获得回火索氏体组织，以达到高强度和高韧性的配合。为了确保较厚规格钢板具有足够的淬透性，钢中通常需要添加较高含量的Ni、Cr、Mo等合金元素。钢的强度级别越高，添加的合金元素含量也相应增加。但合金元素含量的增加会导致碳当量大幅度增加，对焊接性能产生不利影响[1- 3]。Cu作为强化元素常被添加到钢中，以提高钢的强度、耐腐蚀性、抗疲劳性、抗蠕变强度和冲击韧性，同时改善材料的焊接性能、成型性能与机加工性能等[4- 8]。本文设计了一种含Cu高强钢，研究了其在不同温度时效后组织和性能的变化，并探讨了Cu的析出强化规律，为后续的工艺设计与优化提供指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验钢采用50 kg真空感应炉冶炼，化学成分见表1。

表1 试验钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the tested steel (mass fraction) %

1.2 轧制及热处理工艺

将钢锭加热到1 000 ℃锻造成130 mm×130 mm×260 mm的坯料，钢坯于1 200 ℃保温2 h后，经7道次轧至20 mm厚，然后冷却至室温，再分别于450、500、550、600 ℃保温30 min空冷进行时效处理。

1.3 试验方法

将时效后试样沿轴向切开，经磨、抛后，用体积分数为3%的硝酸酒精溶液腐蚀，在LSM 700型光学显微镜下观察显微组织。沿钢板横向切取拉伸试样，尺寸φ3 mm×15 mm，在Schenck- 100 kN型液压伺服拉伸试验机上进行常温拉伸试验。沿钢板横向切取V型缺口冲击试样，尺寸10 mm×10 mm×55 mm，试验温度为-30、-40 ℃。利用DHV- 1000Z型维氏硬度计测量硬度，试验力为10 g。用电解双喷减薄法制备透射电镜(TEM)薄膜试样，电解液的成分及体积分数为5%高氯酸+95%甲醇，双喷液温度为-20 ℃，电压为18 V，使用H- 800型透射电镜对析出相进行微观分析。采用EPMA- 1720型电子探针分析仪对析出相进行元素面扫描。

2 试验结果及分析

2.1 时效温度对组织和硬度的影响

如图1所示，试验钢在不同温度时效处理后的显微组织以贝氏体为主。试验钢在热机轧制(thermo mechanical control process, TMCP)态下的组织为粒状贝氏体和多边形铁素体，及部分板条贝氏体，如图1(a)所示。经450、500 ℃时效30 min后，组织发生了一定程度的合并，但晶粒长大并不明显，如图1(b,c)所示。当时效温度提高至550、600 ℃时，多边形铁素体的比例明显升高，粒状贝氏体和板条贝氏体的比例明显下降，如图1(d,e)所示。即随着时效温度的升高，组织逐渐向多边形铁素体转变。不同时效温度下试样的显微硬度如图2所示。与TMCP态试样相比，时效处理后试样的硬度整体下降，且随着时效温度的升高，硬度逐渐下降。TMCP态试样的平均硬度约237 HV0.01，450、500、550、600 ℃时效试样的平均硬度分别降至227、219、212、198 HV0.01。即随着时效温度的升高，组织在向平衡态转变的过程中硬度逐渐下降，发生了一定程度的软化。

图1 试验钢在不同温度时效30 min后的显微组织Fig.1 Microstructures of the tested steels after aging at different temperatures for 30 min

图2 试验钢在不同温度时效30 min后的硬度Fig.2 Hardness of the tested steels after aging at different temperatures for 30 min

2.2 时效温度对性能的影响

试验钢的拉伸性能随时效温度的变化如图3(a)所示。整体上，试样的屈服强度和抗拉强度均随着时效温度的升高而不断升高，550 ℃达到时效峰值，之后继续升高温度，强度有所下降。其中，TMCP态试样的屈服强度和抗拉强度分别为616、744 MPa。450 ℃时效30 min试样的屈服强度和抗拉强度分别提高了约34、15 MPa。500 ℃时效30 min试样的屈服强度和抗拉强度分别提高至672、764 MPa。随后，550 ℃时效的强度达到峰值，屈服强度和抗拉强度分别为692、789 MPa。当温度进一步上升至600 ℃时，屈服强度和抗拉强度分别下降至668、770 MPa。与传统X80管线钢相比，试验钢经不同工艺时效处理后，其屈服强度提高了90～170 MPa，抗拉强度提高了130～160 MPa。随着时效温度的升高，试样的断后伸长率在14%～16%之间，变化幅度较小。试验钢在不同时效温度下的低温冲击性能变化如图3(b)所示。对比可见，试验钢在550 ℃时效后的冲击性能优于在其他温度时效后的冲击性能。因此，在550 ℃时效30 min的试验钢的力学性能最优。

图3 不同时效温度下试验钢的力学性能Fig.3 Mechanical properties of the tested steels under different aging temperatures

2.3 时效温度对析出相的影响

如图4所示，试验钢经450、500、550 ℃时效30 min后，基体中析出了大量纳米级析出物且均匀分布。550 ℃时效析出相的EPMA面分析结果如图5所示，显示其为富Cu析出物。时效温度升高至600 ℃，富Cu析出物略有长大，如图4(c)所示。即随着时效温度的升高，Cu元素偏聚程度增加，导致析出相长大。

时效温度是影响时效后强度的一个重要因素，因为温度直接影响Cu在基体中的扩散系数，由扩散公式：

(1)

式中：D为扩散系数，D0为频率因子，Q为扩散激活能，R为常数，T为温度。可以看出，温度T越高，扩散系数D越大。即随着温度的升高，Cu原子在钢中的扩散加快，析出相数量不断增多，析出强化导致的强度增量计算公式为：

(2)

式中：泰勒因子M=2，G为剪切模量(室温下为80 GPa)，伯格斯矢量b为0.248 nm，ϑ为泊松系数(0.291)，d为粒子的平均直径，f是析出物的体积分数。可以看出，强度增量与第二相的体积分数成正比，与第二相尺寸成反比。因此，一方面，随着时效温度的升高，析出物的数量不断增多，体积分数不断增大，导致析出强化效果不断增强。但当温度升高至600 ℃时，组织的软化效果进一步增强，析出强化效果与组织软化效果的综合作用导致强度有所下降，因此，550 ℃时效钢的强度达到峰值。

图4 试验钢中富Cu纳米析出相的TEM图像Fig.4 TEM images of Cu- rich nanoprecipitates in the tested steels

图5 试验钢在550 ℃时效30 min后的析出相形貌(a)及EPMA面扫图(b～f)Fig.5 Morphology (a) and EPMA surface scans(b～f) of precipitated phase in the tested steel after aging at 550 ℃ for 30 min

3 结论

(1)随着时效温度的升高，试验钢的组织逐渐向多边形铁素体转变，硬度逐渐下降，组织发生了一定程度的软化。

(2)随着时效温度的升高，试验钢的强度和低温冲击韧性总体上不断升高，且在550 ℃达到时效峰值。

(3)600 ℃时效时，组织软化效果进一步增强，析出强化效果与组织软化效果的综合作用导致钢的强度有所下降。