發布時間：2022-04-15所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 通過力學性能分析及顯微組織觀察，對比了淬火 + 回火( QT) ，一次兩相區淬火 + 一次淬火 + 回火( LQT) ，一次淬火 + 一次兩相區淬火 + 回火( QLT) 三種熱處理工藝對大厚度超高強度 690 MPa 級海洋工程用鋼板組織性能的影響。結果表明，3 種不同淬火 + 回火工藝對
摘要: 通過力學性能分析及顯微組織觀察，對比了淬火 + 回火( QT) ，一次兩相區淬火 + 一次淬火 + 回火( LQT) ，一次淬火 + 一次兩相區淬火 + 回火( QLT) 三種熱處理工藝對大厚度超高強度 690 MPa 級海洋工程用鋼板組織性能的影響。結果表明，3 種不同淬火 + 回火工藝對 690 MPa 級海洋工程用鋼的低溫沖擊性能影響不同，其中采用一次淬火 + 回火工藝不能保證大厚度海洋工程鋼板的低溫沖擊性能，尤其是不能保證鋼板心部低溫沖擊性能，采用一次兩相區淬火 + 一次淬火 + 回火( LQT) 工藝能夠一定程度提升鋼板的低溫沖擊性能，一次淬火 + 兩相區二次淬火 + 回火( QLT) 工藝結果最理想，能夠大幅度提高鋼板的低溫沖擊性能，同時，還能夠獲得最好的強韌匹配，其中細化晶粒及適合的顯微組織狀態是決定鋼板優良低溫沖擊性能的關鍵因素。
關鍵詞: 兩相區淬火; 大厚度; 海洋工程用鋼; 低溫沖擊性能; 細化晶粒; 高密度位錯
大厚度超高強度 690 MPa 級調質鋼是一種新型的海洋工程用鋼，采用低碳及低碳當量設計思路，同時添加適量的 Cu、Ni 等合金元素，通過調質工藝處理得到超低碳貝氏體組織，來獲得優良的綜合力學性能，具備廣闊的市場前景[1-2]。傳統的一次淬火 + 回火調質工藝，對于 50 mm 以下的鋼板，該工藝能夠滿足其綜合力學性能要求，但是對于大厚度 100 mm 鋼板，不能保證其心部的沖擊韌性，只能一定程度滿足 1 /4 處強韌性匹配，且性能富余量很小，不利于工業上的批量生產，無法進行 100 mm 厚 690 級鋼板的生產供貨[3]，結合其他文獻資料以及目前的大厚度調質鋼板的實際生產情況，本文創新點主要在于調質工藝的優化和調整，利用一次淬火 + 一次兩相區淬火 + 回火工藝實現了 100 mm 大厚度鋼板心部低溫韌性的大幅度提升，主要進行了通過采用兩次淬火 + 回火工藝與傳統的 QT 工藝對 690 級超高強調質鋼板組織性能的影響研究，并對試驗結果進行了分析。
1 試驗材料與方法
本次試驗鋼由轉爐冶煉而成，經連鑄拉坯成 300 mm 厚鋼坯，然后再經軋機通過兩階段控制軋制成 100 mm 厚鋼板，其化學成分如表 1 所示。
沿鋼板橫向方向切取 300 mm × 300 mm × 100 mm 試樣若干，在實驗室箱式爐中進行熱處理試驗，試驗采用 3 種不同的熱處理工藝: ①一次淬火 + 一次回火 ( QT) ，其中淬火溫度 900 ℃ ，其加熱保溫時間均為150 min; ② 一次兩相區淬火 + 一 次 淬 火 + 回 火 ( LQT) ，即先進行一次兩相區淬火后再進行一次淬火，然后回火，兩相區淬火溫度為 830 ℃，一次淬火溫度 900 ℃ ; ③一次淬火 + 一次兩相區淬火 + 回火( QLT) ，即在熱處理工藝①的淬火和回火之間再進行一次兩相區的淬火，一次淬火溫度 900 ℃，兩相區淬火溫度為 830 ℃，其中淬火加熱保溫時間均為 150 min，為保證試驗的統一性，回火溫度均為 640 ℃ ( 前期試驗已經摸索出的合理回火溫度) ，回火時間為 4 min，回火后空冷至室溫。
鋼板經過熱處理后，進行機加工，其中室溫拉伸及- 40 ℃ 沖擊試驗按照 GB /T 228. 1—2010《金屬材料拉伸試驗 第 1 部分: 室溫試驗方法》、GB /T 229—2007 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》要求進行，采用 ZEISS Axiovert 200 MAT 光學顯微鏡及 FEI QUANTA 400 場發射掃描電鏡進行了鋼板的顯微組織觀察，其中，金相觀察試樣利用線切割加工成形后，經砂紙打磨、機械拋光后，用 4% 硝酸酒精進行侵蝕后，進行組織觀察，另用線切割切取0. 4 mm 試樣薄片，利用砂紙打磨至 50 μm，進行雙噴離子減薄制備成 TEM 試樣，電解液為 8%高氯酸酒精溶液，減薄電壓為 45 V，電流為 25 mA，然后在場發射電鏡上對試樣進行精細組織觀察，同時采用 HB-3000 布氏硬度計對試樣硬度進行測定。
2 試驗結果與分析
采用不同熱處理工藝得到的鋼板力學性能如表 2 所示，由表2 中可以看出，經過3 種不同淬火 +回火處理后，試驗鋼的規定塑性延伸強度浮動范圍是 715 ～ 830 MPa，試驗鋼的抗拉強度浮動范圍是 802 ～ 936 MPa。顯然，采用二次淬火工藝會在一定程度上對試驗鋼的強度造成一定的損失，但是結果也均滿足船級社對 690 MPa 級鋼板的規范要求( 屈服強度≥690 MPa，抗拉強度為 770 ～ 940 MPa，伸長率為≥14% ，沖擊吸收能量橫向 > 46 J，縱向 > 69 J) ，但是采用二次淬火工藝處理后的鋼板沖擊性能得到了明顯的提升，尤其是采用 QLT 工藝后鋼板 1 /4 位置和 1 /2 位置的 - 40 ℃ 沖擊吸收能量均在 150 J 以上，表現出了良好的沖擊性能。
對經 QLT 工藝處理后的鋼板進行布氏硬度檢測，結果如圖 1 所示，根據結果可以看出，經 QLT 工藝處理后的鋼板在全厚度截面上的硬度分布均勻，說明一次淬火 + 一次兩相區淬火 + 回火處理后鋼板組織均勻，淬透性良好，淬火效果很好[4]。
經不同淬火工藝處理后的鋼板，其中 QLT 工藝處理后的鋼板低溫沖擊性能提升最大。圖 2 為試驗鋼經不同淬火工藝處理后的奧氏體晶粒度對比，從圖 2 中可以看出，在傳統 QT 狀態下，鋼的奧氏體晶粒度相對較大，能夠達到 7. 5 級，而經過兩次淬火后的試驗鋼板奧氏體晶粒度則能夠達到 8. 5 級，而且其分布更加均勻，由此可以看出鋼板晶粒兩次淬火后，晶粒得到了很大程度上的細化[5]，從而提高了鋼的性能，通過3 組工藝的對比，可以看出經 QLT 工藝處理后鋼板的偏析情況也有了一定程度的改善，從圖 2 中沒有發現明顯的偏析帶，為后續鋼板具備良好的低溫沖擊性能打下了基礎。
相關知識推薦：sci論文發表流程和國內一樣嗎
QT、LQT、QLT 工藝對比，經過兩相區二次淬火后的 QLT 工藝，試驗鋼的低溫沖擊性能大幅度提高。圖 3 為試驗鋼在 640 ℃ 回火時的顯微組織，從圖 3 中可以看出，在傳統 QT 狀態下，鋼的顯微組織為回火馬氏體，晶界清晰，但存在部分塊狀結構并且晶內保存了平行板條結構，晶粒尺寸約 35 μm，晶粒較為粗大，而經過 LQT 工藝淬火后，組織的晶界相對清晰，組織由回火索氏體及部分回火馬氏體組成，仍然保持了部分板條結構，但 LQT 工藝處理后平均晶粒尺寸減小至 15 μm 圖 4 QLT 工藝處理后鋼板的 TEM 顯微組織 Fig. 4 TEM microstructure of the steel plates treated by QLT process 左右，晶粒更加細小。經 QLT 工藝處理后鋼板組織基本為回火索氏體，晶界清晰，晶粒非常細小，達到了11 μm 左右，由此可見，一次淬火獲得粗大馬氏體板條，而二次淬火則大大細化了晶粒，尤其是經 LQT 工藝的兩相區淬火后鋼板晶粒進一步細化，從而大大提高了鋼的低溫沖擊性能。
分析其原因，二次淬火后回火得到的回火索氏體組織本身就具有良好的沖擊性能[6-7]。這種組織是一種強化材料韌性的組織，這種組織不僅對鋼的強度有益，而且軟相鐵素體可以阻止裂紋的擴展，提高鋼的韌性[8]，同時，細小且分布均勻的晶粒，也是鋼板具有良好低溫沖擊性能的關鍵因素。
對經過 QLT 工藝處理后的鋼板不同位置進行 TEM 顯微組織觀察，其中，圖 4( a) 為鋼板表面位置; 圖 4( b) 為鋼板 1 /4 位置; 圖 4( c) 為鋼板 1 /2 位置; 超高強調質海工鋼的關鍵工藝技術就是，經 QLT 工藝處理后，得到回火索氏體組織[9]，從圖4 所示的透射顯微組織可以看出，經 QLT 工藝處理后，不同位置鋼板位錯密度均很高，且呈無序分布，位錯相互纏結，同時，組織內還存在彌散析出呈梭子狀碳化物，這些碳化物尺寸長度在 80 ～ 100 nm 之間，均勻地分布在位錯周圍，對位錯起到了很好的釘扎作用，從而阻礙了位錯的運動和螺紋的擴展，高密度位錯以及碳化物的彌散析出決定了鋼板具備非常優良的低溫韌性及很好的強韌匹配[10]。
3 結論
1) 傳統調質工藝( QT) 處理后鋼板心部沖擊吸收能量只有 27 J，經 QLT 處理后鋼板心部的沖擊吸收能量也僅僅達到 69 J，不能滿足船級社規范要求，而一次淬火 + 兩相區二次淬火 + 回火( QLT) 工藝能夠大幅度提高鋼板的低溫沖擊性能，其中心部沖擊吸收能量能夠達到 150 J 以上，低溫沖擊性能良好。
2) 經一次淬火 + 兩相區二次淬火 + 回火( QLT) 工藝處理后，鋼板強度指標相較其他兩種調質工藝，略有下降，屈服強度 720 MPa，抗拉強度 802 MPa，強度指標同樣具備一定富余量，鋼板的強韌性匹配綜合性能非常優良。
3) 二次淬火后能夠得到更加細化的晶粒，心部晶粒度可以達到 8. 5 級，能夠很好提高鋼板的力學性能，尤其是低溫沖擊性能。
4) 鋼板經過一次淬火 + 兩相區二次淬火 + 回火 ( QLT) 工藝處理后，鋼板全厚度界面布氏硬度均穩定在 250 ～ 270 HBW 之間，說明鋼板組織均勻，同時鋼板內部高密度位錯及碳化物的釘扎作用是提高鋼板強韌性匹配的關鍵因素。——論文作者：張 鵬，嚴 玲，周 成，朱隆浩
參考文獻:
[1]劉振宇，唐 帥，陳 俊，等. 海洋平臺用鋼的研發生產現狀與發展趨勢[J]. 鞍鋼技術，2015( 1) : 1-7. Liu Zhenyu， Tang Shuai， Chen Jun， et al. Latest progress on development and production of steels for off shore platform and their development tendency[J]. Angang Technology，2015( 1) : 1-7.
[2]姚連登，趙四新. 采用在線熱處理工藝開發高強鋼的研究進展[J]. 鋼鐵研究，2011，39( 5) : 54-57. Yao Liandeng， Zhao Sixin. Recent development of high strength structural steel plate by direct quenching[J]. Research on Iron and Steel，2011，39( 5) : 54-57.
[3]吳 輝，趙燕青，李 闖，等. 690 MPa 級海洋平臺用鋼的組織和性能[J]. 金屬熱處理，2010，35( 9) : 20-25. Wu Hui， Zhao Yanqing， Li Chuang， et al. Microstructure and properties of 690 MPa grade off shore platform plate steel[J]. Heat Treatment of Metals，2010，35( 9) : 20-25.
[4]鮑海燕，余宏偉，王 成，等. 不同熱處理工藝對在線淬火 Q690 鋼組織與性能的影響[J]. 金屬熱處理，2014，39( 7) : 96-98. Bao Haiyan，Yu Hongwei，Wang Cheng，et al. Effect of different heat treatment process on microstructure and properties of on-line quenching Q690 steel[J]. Heat Treatment of Metals，2014，39( 7) : 96-98.
[5]張 寬，鎮 凡，曲錦波，等. 兩相區淬火工藝對超高強度鋼組織與性能的影響[J]. 金屬熱處理，2016，41( 10) : 47-52. Zhang Kuan，Zhen Fan，Qu Jinbo，et al. Effect of intercritical quenching process on microstructure and properties of ultra-high strength steel[J]. Heat Treatment of Metals，2016，41( 10) : 47-52.
[6]劉東升，程丙貴，羅 咪，等. 熱處理工藝對 NV-F690 船板鋼組織和性能的影響[J]. 材料熱處理學報，2011，32( 9) : 125-135. Liu Dongsheng，Cheng Binggui，Luo Mi，et al. Effect of heat treatment processes on microstructure and properties of a NV-F690 shipbuilding plate steel[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment，2011，32 ( 9) : 125-135.
[7]楊 浩，楊 漢，曲錦波. 熱處理工藝對 690 MPa 級低屈強比高強鋼組織性能的影響[J]. 材料熱處理學報，2013，34( 5) : 37-42. Yang Hao，Yang Han，Qu Jinbo. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of a 690 MPa grade high strength steel with low yield ratio[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment，2013，34( 5) : 37-42.
[8]羅小兵，楊才福，柴 鋒，等. 兩相區二次淬火對高強度船體鋼低溫韌性的影響[J]. 金屬熱處理，2012，37( 9) : 71-75. Luo Xiaobing，Yang Caifu，Chai Feng，et al. Effect of intercritical quenching on low temperature toughness of high strength ship hull steel [J]. Heat Treatment of Metals，2012，37( 9) : 71-75.
[9]李雪峰，王春芬，王嘉敏. 回火馬氏體與回火索氏體辨析[J]. 熱處理，2012，27( 4) : 12-16. Li Xuefeng. Wang Chunfen，Wang Jiamin. Discrimination of tempered martensite from tempered sorbite[J]. Heat Treatment，2012，27( 4) : 12-16.
SCISSCIAHCI
