热处理对1000MPa级工程机械结构用钢组织和性能的影响

发布时间：2016-11-18 15:52

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第32卷第5期；2010年5月；北京科技大学学报Vol.32No.5May201；JournalofUniversityofSci；热处理对1000MPa级工程机械结构用钢组织和性；的影响；钱亚军余伟武会宾杨跃辉；北京科技大学冶金工程研究院,北京100083；222Cu22摘要设计了一种低碳Mn2Mo2Nb；icalcontrol2process)+回火与；

第32卷第5期

2010年5月

北京科技大学学报Vol.32No.5May2010

JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing

热处理对1000MPa级工程机械结构用钢组织和性能

的影响

钱亚军　余　伟　武会宾　杨跃辉

北京科技大学冶金工程研究院,北京100083

222Cu22摘　要　设计了一种低碳Mn2Mo2Nb2B系超高强度工程机械结构用钢,研究了在同种成分条件下TMCP(thermo2mechan2

icalcontrol2process)+回火与控轧+直接淬火+回火两种工艺对钢组织和性能的影响.对比分析了热处理前后钢板各项力学

性能和组织的变化.结果表明,两种工艺条件下钢的屈服强度和冲击性能的变化趋势相似,经500～620℃回火1h后钢的屈服强度均有大幅度提高.控轧+直接淬火+回火得到的钢板综合性能明显优于TMCP+回火,前者在600℃回火后屈服强度仍达到1000MPa以上,同时延伸率达到18%,-40℃冲击功大于30J,而后者塑性较好但强度稍低;随回火温度的升高,控轧+直接淬火+回火工艺条件下的组织演化速度要快于TMCP+回火工艺.关键词　结构用钢;工程机械;热处理;显微组织;力学性能分类号　TG14211

Effectofheattreatmentonthemilpropertiesof1000MPagradestructuralsteelery

QIANYa2jun,YUWei,WUMetallurgicalIofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China

ABSTRACT　Alow2Mn2Mo2Nb2Cu2BultrahighstrengthstructuralsteelforconstructionmachinerywasdesignedandtheeffectofTMCP(thermo2mechanicalcontrolprocess)+tempering(TMCP+T)technologyandcontrolledrolling+directquenchingandtempering(CR+DQ+T)technologyonitsmicrostructureandmechanicalpropertiesunderthesamecompositionwasstudied.Thechangesinmechanicalpropertiesandmicrostructuresofthesteelplatesbeforeandafterheattreatmentwerecomparativelyanalyzed.Theresultsshowthataftertemperingfrom500℃to620℃for1h,thereisasubstantialincreaseofthesteelplatesinyieldstrength.TheperformanceofthesteelplatestreatedbyCR+DQ+TprocessisobviouslysuperiortothatbyTMCP+Tprocess,andtheyieldstrengthoftheformerisstillmorethan1000MPaaftertemperingat600℃.Besides,theelongationcanreach18%andtheimpacten2ergyat-40℃ismorethan30J.However,theplasticityofthelatterisbetterbutthestrengthslightlylower.Withthetemperingtem2peratureincreasing,theevolutionspeedofmicrostructuresundertheconditionofCR+DQ+Tismorequicklythanthatunderthecon2ditionofTMCP+T.

KEYWORDS　structuralsteel;constructionmachinery;heattreatment;microstructure;mechanicalproperties

　　近几年我国工程机械制造业发展迅速,同时对高强度钢的需求也越来越大.目前大量使用的高强钢,强度级别大多在800MPa以下,国内只有鞍钢、宝钢等少数几家钢厂可以生产800MPa以上级别的高等级钢,但仍然存在合格率较低的问题,高等级钢

23][12

仍需进口.大规模使用高强度钢对于提高工程

机械的能力效率、延长使用寿命、减轻自重和降低能

耗都具有十分重要的作用.

传统的工程机械用高强度钢板主要以固溶强化、析出强化为主来提高强度,其中碳和合金元素含量较高,生产工艺大多为调质处理,如美国的高屈服强度钢HY80～130(σ012=550～890MPa).近年来,

2082231收稿日期:20092

基金项目:“十一五”国家科技支撑计划资助项目(No.2006BAE03A06)作者简介:钱亚军(1981—),男,硕士研究生;余　伟(1968—),男,副研究员,博士,E2mail:yuwei@nercar.ustb.edu.cn

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北　京　科　技　大　学　学　报第32卷

TMCP工艺和直接淬火工艺有了很大发展,可以简

化生产工艺,降低碳和合金元素含量,提高工程机械

高强度结构用钢的综合性能,如美国利用TMCP工艺

2100(σ012=690发展了含Cu高强度低合金钢HSLA2

MPa),并用来取代HY80～100,在没有明显降低强

[6]

低(-40℃冲击功小于25J).Chen等研究了此

22类钢中Ti、Ti2Mo和Ti2Nb组合对强度的贡献,结果

度的情况下,改善了韧性和焊接性能.Ghosh

[5]

等采用低C(质量分数为0108%)微合金化工艺的同时,添加质量分数3146%的Mo和1188%的Cu,通过TMCP工艺获得了屈服强度达1300MPa的超高强度钢,但是延伸率(12%～16%)和冲击功偏

[4]

得出(Ti,Mo)C析出贡献最大,并且其纳米级尺寸稳定性高.目前国内也有一些关于高强度工程机械结构用钢的研究,但多集中于屈服强度在1000MPa

210][72

以下(Q690、Q800等)的开发和研究上.本文结22Nb22合前人的相关研究,设计了一种低碳Mn2Mo2

2Cu2B系超高强度工程机械结构用钢,并采用两种工艺(分别称之为工艺1、2,图1)进行了实验室试制

图1　两种工艺热轧及冷却制度示意图.(a)工艺TMCP(b)工艺2,CRT

Fig.1　Schematicdiagramsofhot2rollingandheattreatmentoftheo(a)+T;(b)Process2,CR+DQ

1　实验材料和方法

111　化学成分

:降低碳含量,改善韧性和焊接性能,添加适量合金元素,以保证得到满足性能要求的组织.主要成分如表1所示.

,其成分设计

表1　实验钢的主要成分(质量分数)

Table1　Mainchemicalcompositionoftheexperimentalsteel

C0106

Si0124

Mn118

Mo013

Nb01045

V01067

Ti01012

Ni0179

Cu018

B010014

S01005

%P01008

112　实验工艺

11211　热轧工艺及冷却制度

将钢锭热锻成90mm×90mm×120mm的热轧坯,在北京科技大学高效轧制国家工程研究中心350试验轧机上进行了轧制,经过7道次,轧成厚13mm的钢板.根据实验钢化学成分特点,将加热温

块钢,在箱式电阻炉内进行七个温度段的回火

(450、500、550、600、620、650和700℃),保温1h后空冷至室温,再将钢块机加工成标准拉伸样和冲击样.113　性能测试和组织结构观察设备

24105型万能试验机和JB2230B型冲击在CMT221450型扫描试验机上进行力学性能测试.用LEO2

电镜对组织演化过程进行观察,并将部分试样制备

22000FX型成萃取碳复型和金属薄膜样品,用JEM2

22010型高分辨电子显微镜对精细透射电镜和JEM2

结构和析出物进行观察和分析.

度确定为1250℃,保温时间为2h.将钢板的轧制分为两个阶段来控制轧制,粗轧开轧温度为1100℃,粗轧三道次轧制温度控制在1000℃以上,精轧阶段的开轧温度控制在950℃以下,终轧温度850℃,精轧压下率大于60%.对于TMCP工艺,轧后空冷到780℃,然后水冷至450℃.对于CR+DQ工艺,轧后空

冷到780℃,然后直接淬火至室温,如图1所示.11212　热处理工艺

从轧后(TMCP)1和(CR+DQ)2钢板各取七

2　实验结果

211　热处理前后的力学性能变化

从图2可以看出,工艺2条件下钢轧态的抗拉

第5期钱亚军等:热处理对1000MPa级工程机械结构用钢组织和性能的影响

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强度要比工艺1条件下高出200MPa以上,屈服强度也要高出100MPa,但是塑性和冲击韧性要低于工艺1,说明控冷和弛豫工艺有助于改善钢的塑韧性.在回火过程中,两种工艺钢呈现的共同特点是:随回火温度升高,屈服强度变化曲线均呈现M形,存在两个强度峰值,在500～600℃范围内屈服强度提高,屈强比也逐渐升高,同时韧性下降;大于600℃时屈服强度降低,延伸率迅速提高,韧性改

善,抗拉强度开始快速下降.不同之处在于:600℃

以下回火时,抗拉强度变化趋势不同,工艺1条件下钢在500℃以下回火时,强度一直上升,在500～600℃时变化较为平稳;而工艺2条件下钢在500℃以下回火时,强度则是快速下降,下降幅度达100MPa,后又上升,550℃时达到峰值,同时两种工艺钢在屈服强度达到峰值时的温度点也有所差别,工艺2高于工艺1

图2　回火温度对两种工艺钢力学性能的影响.(a)工艺1;(b)工艺2;(c)两种工艺钢-40℃冲击功的变化

Fig.2　Effectoftemperingtemperatureonthemechanicalpropertiesofthesteelplatestreatedbythetwoprocesses:(a)Process1;(b)Process2;(c)changesinimpactenergyat-40℃

　　两种工艺相比,工艺1下钢的屈服强度均没有超过1000MPa,而工艺2在低于620℃温度区间都

可以达到1000MPa并且延伸率都大于16%,综合力学性能良好.212　热处理前后的显微组织

图3所示是两种工艺条件下钢的微观组织随回火温度变化的情况.由于含有B、Mo等高淬透性元素和其他合金元素,这两种工艺钢均具有较高的淬透性和奥氏体稳定性.图3和图4分别为两种工艺钢的轧态组织SEM和TEM照片.工艺1钢轧态组织是由板条状贝氏体和粒状贝氏体组成的混合组织,以板条状贝氏体为主,板条较为粗短,不同晶粒

2内板条束取向差异明显,有少量的M2A岛(martens22A岛)沿界面处分布,并且碳化物在ite2austenite,M2

基体上弥散分布.工艺2钢基体组织是以淬火马氏

2A体和贝氏体板条为主,含有少量粒状和长条状M2

岛.板条束由晶界开始生长,同一板条束内板条取向一致,板条细长甚至贯穿整个晶粒.由于在未再

结晶区变形量较大,原奥氏体晶粒明显被压扁拉长,晶界清晰,晶粒内部存在较多的变形带.由TEM照片可以看出,工艺2所得到的淬火马氏体板条宽度(250～300nm)小于工艺1所得到的贝氏体板条,同时位错密度较高.

450℃回火后两种工艺的宏观组织仍然保持着

2A岛和碳化物发生热轧状态.工艺1板条清晰,M2

分解相比轧态数量明显减少并缩小;工艺2淬火马

氏体板条间和原奥氏体晶界处仍然含有较多的长条

2A岛.随着回火温度的升高,贝氏状和短棒状的M2

2体2马氏体板条发生部分合并连接和粗化(图3(f)、

图4(d)),但大部分板条依然清晰可见.工艺2粗

2A岛和碳化物明显减化特征要大于工艺1,同时M2

少.650℃回火时,工艺1板条继续粗化并生成了少

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北　京　科　技　大　学　学　报第32卷

量多边形铁素体;而工艺2板条变短粗化更为明显,

2A岛和碳化物完全分解,已经形成了较多的多边M2

形铁素体(图3(h)).从上述比较可以看出,工艺1

组织的回火稳定性要强于工艺2

(c)、(e)和(g)分别为工艺1轧态、(d)、(f)和(h)分别图3　.(a、450℃、550℃和650℃回火时组织;(b)、

为工艺2轧态、450650℃回火时组织

Fig.3　Microstructureevolutionwithtemperingtemperature:(a),(c),(e)and(g)aretheSEMimagesofthesteelplatesunderhot2rolledstate,afterbeingtemperedat450℃,550℃and650℃inProcess1,respectively;(b),(d),(f)and(h)aretheSEMimagesofthesteelplatesunderhot2rolledstate,afterbeingtemperedat450℃,550℃and650℃inProcess2,respectively

图4　两种工艺钢板组织TEM照片.(a)和(c)分别为工艺1轧态,550℃回火;(b)和(d)分别为工艺2轧态,550℃回火

Fig.4　TEMimagesoftwotypesofexperimentalsteels:(a)and(c)arethemicrographsofthesteelplatesunderhot2rolledstateandafterbeingtemperedat550℃inProcess1,respectively;(b)and(d)arethemicrographsofthesteelplatesunderhot2rolledstateandafterbeingtemperedat550℃inProcess2,respectively

3　结果分析与讨论

通过轧后热处理,两种工艺钢的力学性能都有较大幅度的改善,屈服强度提高了190～250MPa.两种工艺钢都经过未再结晶区大变形量控轧,组织

2细化,贝氏体2马氏体板条内位错密度较高,在变形

各道次之间,特别是在终轧变形后的弛豫阶段,由于应变诱导作用,将生成大量极为细小的Nb、Ti碳氮

2Cu粒子等沉淀在位错上并将其钉扎,这化物和ε2

些位错在相变过程中基本上被继承下来,并且仍然

第5期钱亚军等:热处理对1000MPa级工程机械结构用钢组织和性能的影响

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保持被钉扎状态(图5(a)).450℃回火时,它们将继续析出,对位错的钉扎作用加强,因此两种工艺条件下屈服强度均出现了第1个峰值.随后,屈服强

2Cu粒子开始粗化,沉淀度有所下降主要是由于ε2

密度数减少,对位错钉扎作用减弱造成的.工艺

2由于轧后直接淬火发生马氏体相变,产生了大量的相变位错,并且由于冷却速率较快,位错回复程度低,密度更高,因此钢的轧态强度很高,抗拉强度达

[11]

到1160MPa,屈服强度也达845MPa.然而,相变位错比较平直且大部分没有被析出物钉扎,在回火过

[12]

程中容易消失和重新排列,因此造成了500℃以

2Cu等粒子优下回火时抗拉强度迅速下降.由于ε2

先在位错线上析出,马氏体板条的高位错密度提供2Cu等粒子析了更多的沉淀形核位置,从而导致ε2出更细小,分布更均匀,强化效果更好

明显高于工艺1(图6(a))

[13]

,屈服强度

图5　工艺2热处理前后析出物形貌.(a)轧态;(b)550℃回火;(c)650℃回火

Fig.5　MorphologiesofprecipitatesinProcess2beforeandafterheattreatment:(a)hot2rolledstate;(b)temperedat550℃;(c)temperedat650℃

图6　工艺2回火过程中位错与析出物的相互作用.(a)450℃回火;(b)550℃回火;(c)650℃回火

Fig.6　InteractionbetweenprecipitatesanddislocationnetworksinthetemperingprocessofProcess2:(a)temperedat450℃;(b)temperedat550℃;(c)temperedat650℃

　　工艺1条件下,由于钢板弛豫后控冷过程中位错多被钉扎,并且在随后不同温度回火过程中,将会

有进一步析出(Nb、Mo和V等,两种工艺下的二次强度峰值也是由这些合金元素的析出所产生的,同时也造成了塑性和韧性相应降低(图5(c)、图6(c))),造成新的硬化现象,这时原来被析出钉轧的位错不能回复消失,因此回火过程中组织稳定性较好

[12]

当回火温度大于600℃高温回火时,析出物开始相互吞并粗化,对位错的钉扎作用减小,对变形奥氏体回复过程的阻碍作用减弱.同时位错可动性大大增强,密度下降造成基体软化,强度很快下降,塑性和韧性提高.综合看来,在工艺2条件下,钢的力学性能较为优秀,在强度大幅度提高的情况下,塑性和韧性并没有大幅度下降.

,这也是在500～600℃时抗拉强度变化

较为平稳的原因.同时由于工艺1细化了基体组织,Nb、Mo和V等合金元素的形核位置多、扩散距离短,因此屈服强度达到二次峰值时的温度比工艺2低.工艺1条件下冲击性能随强度的提高,下降较

4　结语

(1)实验钢种碳含量和合金元素含量在同类钢

中相对较低,在保证满足性能要求的同时,也提高了钢的焊接性能.回火过程中微合金元素以及Cu、Mo的大量析出对强度的提升作用明显,尤其对是屈服强度的影响,550～600℃回火时,屈服强度上升了190～250MPa,与此同时,抗拉强度下降较少.

(2)热处理前的组织准备对热处理后钢的综合

多,但总体上一直高于工艺2.这是由于工艺1条件下位错多被稳定钉扎,可动性变差所致,但亚晶内的贝氏体板条束间取向差异大,对微裂纹的扩展起了一定的阻碍作用,提高了钢的韧性.

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