厚规格Q690D高强钢板的连续冷却转变行为

2022-10-21杨跃辉苑少强艾晨光

金属热处理 2022年9期

李敬，刘辰，杨跃辉，苑少强，艾晨光

(1. 唐山学院河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室，河北唐山 063000；2. 河北建支铸造集团有限公司，河北唐山 064100)

Q690D钢板因具备较高的强度、良好的焊接性和冲击韧性，被广泛地应用于能源、建筑、交通、工程机械等行业[1-4]。对于厚规格的钢板，特别是100 mm以上的钢板，在某些行业尤其是煤矿机械上具有广泛的用途[5-6]，但研究却相对较少。CCT曲线可以预测不同冷速下试验合金的组织及性能特征，为实际生产提供技术参考[7-9]。本文拟通过热模拟试验，对设计的100 mm厚Q690D高强钢板进行CCT曲线测定，预测不同冷却速度下组织的变化过程，在合理优化成分设计和热处理工艺条件下，以确保实际生产中厚规格钢板在厚度方向上组织及性能的高度均匀性。

1 试验材料及方法

在试验生产的100 mm厚Q690D热轧钢板上取样，加工成φ8 mm×55 mm的热模拟试样，其化学成分如表1所示。将试样在Gleeble-1500热模拟机上以10 ℃/s 的升温速度快速加热到1000 ℃，保温3 min，然后以不同的冷却速度(0.1、0.5、1、3、5、10、15、20、30、40和50 ℃/s)连续冷却至室温，自动测定不同速度下试样的冷却曲线。

表1 Q690D试验钢的化学成分(质量分数，%)

在热模拟试样长度中心切割金相试样，经研磨、抛光后，采用体积分数4%硝酸酒精溶液侵蚀，然后在奥林巴斯BM41正置光学显微镜上观察其组织。在HD9-45表面维氏洛氏显微硬度计上测量不同冷速下试样的维氏硬度，载荷为294 N。对实际生产调质后钢板取样，观察钢板表层、1/4处及1/2处的显微组织。

图1 不同冷却速度下Q690D钢的显微组织Fig.1 Microstructure of the Q690D steel cooled at different rates(a) 0.1 ℃/s; (b) 0.5 ℃/s; (c) 1 ℃/s; (d) 3 ℃/s; (e) 5 ℃/s; (f) 10 ℃/s; (g) 15 ℃/s; (h) 20 ℃/s; (i) 30 ℃/s; (j) 40 ℃/s; (k) 50 ℃/s; (l) 水淬 (water quenched)

2 试验结果及讨论

2.1 不同冷却速度下的显微组织

试样完全奥氏体化后，以不同冷却速度冷至室温的显微组织如图1所示。可以看出，当冷却速度为0.1 ℃/s时(图1(a))，组织为先共析铁素体、珠光体以及少量的贝氏体，由于原始奥氏体晶粒较为粗大，故组织中有较多的魏氏组织，呈粗大的针状。当冷速为0.5～1 ℃/s 时(见图1(b,c))，先共析铁素体消失，形成了单一的粒状贝氏体组织，由于冷速仍较慢，合金元素能进行较长距离的扩散，所以粒状贝氏体中形成的是块状的M/A岛。冷速为3 ℃/s(见图1(d))时，由于冷却速度较快，组织中开始出现板条贝氏体，同时粒状贝氏体中的M/A岛消失，主要以碳化物为主。冷速在5～10 ℃/s(见图1(e,f))之间时，随着冷速的增加，组织中的板条贝氏体逐渐增多，而粒状贝氏体相应减少，冷速10 ℃/s冷却后的组织中粒状贝氏体基本消失。冷却速度达到15 ℃/s后，组织中的粒状贝氏体基本消失，组织为板条贝氏体，且组织中开始出现少量的马氏体。继续提高冷却速度，冷却速度从15 ℃/s一直到水淬，组织特征基本相同，未发生明显的改变，但其中的板条马氏体含量逐渐增加，如图1(g～l)所示。随着冷却速度的提高，板条贝氏体逐渐减少，直至形成完全淬火马氏体，如图1(l)所示。

2.2 不同冷却速度下的硬度

不同冷却速度下试样的硬度变化如图2所示。冷却速度低于15 ℃/s时，依次出现铁素体+珠光体、粒状贝氏体、板条贝氏体组织，这导致测得的硬度逐渐升高；当冷速高于15 ℃/s时，随着冷速的升高，组织类型未发生明显的改变，板条贝氏体逐渐减少，但其中的板条马氏体含量逐渐增加，由于板条贝氏体组织同样具有较高的强度和硬度，所以测得的硬度值基本未发生变化。水冷后所获组织基本为马氏体组织，因此硬度又有明显的上升。

图2 不同冷却速度下Q690D钢的硬度Fig.2 Hardness of the Q690D steel cooled at different rates

2.3 连续冷却转变曲线

综合图1组织变化规律及图2硬度变化曲线，Q690D钢板的连续冷却转变曲线如图3所示。由CCT曲线可以看出，当冷速较低时，组织中存在先共析铁素体和珠光体区域，但其范围较小；试验钢在较宽的冷速范围内能够获得粒状贝氏体、粒状贝氏体+板条贝氏体的组织。同时，由于试验钢的淬透性较好，冷速达到15 ℃/s 以上后组织中出现马氏体。马氏体相变开始温度约为439 ℃。

图3 Q690D钢的连续冷却转变曲线Fig.3 Continuous cooling transformation curves of the Q690D steel

2.4 实际应用中Q690D钢板的组织特征

Q690D钢板最终的使用状态是调质态，图4为调质(水淬+620 ℃回火)后的100 mm厚钢板不同位置处的显微组织，可见在钢板的表面、1/4处及1/2处，均为细小的回火马氏体，从上文中连续冷却的热模拟结果来看，试验钢板在很大的冷速范围内，组织类型及硬度变化稳定。由图4(b，c)可见，板厚1/4处组织与钢板表面组织极为接近，仅出现了少量的粒状贝氏体，表明在所设计的成分下，试验钢具有良好的淬透性。对于100 mm的大厚度钢板而言，其心部冷速较慢，但试验钢中仍然得到了以板条马氏体(回火前)为主的回火马氏体组织。

图4 调质态Q690D钢板的显微组织(a)表面；(b)1/4厚；(c)1/2厚Fig.4 Microstructure of the quenched and tempered Q690D steel plate(a) surface; (b) 1/4 thickness; (c) 1/2 thickness

综上所述，由于本试验钢板添加了微量B元素，合适的微Ti处理，节省了贵金属元素Ni，提高了试验钢淬透性[10-11]，保证了100 mm厚规格钢板的截面Z向的组织性能均匀；同时合理轧制及冷却工艺的制订，保证了细小组织的遗传。可见，通过CCT曲线的分析，在实际生产过程中，能够指导实际生产，厚规格Q690D高强钢板在厚度方向上的组织性能均匀性得到了很好的体现。