直接淬火n610e鋼組織性能的試驗研究

直接淬火n610e鋼組織性能的試驗研究

國內(nèi)外高鋼通常采用加熱和研磨（rct）的形式生產(chǎn)。這種生產(chǎn)工藝不僅增加了設(shè)備的投資，而且增加了序言和成本?？刂栖堉坪笾苯哟慊?回火(DQT)與傳統(tǒng)的RQT相比,能大大提高低碳鋼和低合金鋼的強度,同時減少合金元素含量、降低碳當(dāng)量,改善了焊接性能,提高了鋼的綜合力學(xué)性能。DQ工藝生產(chǎn)高強度高韌性鋼板,主要通過合理設(shè)計軋制、冷卻及回火工藝實現(xiàn)鋼板性能,對化學(xué)成分要求不嚴,可在較少合金含量的情況下實現(xiàn)鋼板高強度、高韌性。軋后直接淬火工藝的采用,能夠保留低溫大壓下終軋時鋼板組織內(nèi)部的高密度位錯,為相變增加形核點,組織明顯細化。同時位錯的保留也為回火時第二相粒子的析出提供了便利,獲得與常規(guī)調(diào)質(zhì)鋼同類型的高強高韌性組織,節(jié)省了同類鋼板再加熱淬火的工序,生產(chǎn)周期短、成本低,提高了生產(chǎn)效率,節(jié)約能源,可廣泛應(yīng)用于冶金、建筑、能源、機械、石化、船舶、交通、采掘等行業(yè)所需高強度鋼板的生產(chǎn)。直接淬火后鋼板的強度高、塑性低及殘余應(yīng)力大,因而需要進行回火來改善鋼的延韌性。本文以石油儲罐用鋼N610E為對象,研究回火后其微觀組織與力學(xué)性能的演變規(guī)律。1超快冷層流冷卻鋼板和回采鋼板的制備試驗材料為大生產(chǎn)冶煉的石油儲罐鋼,其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)為:C0.08,Mn1.40,P0.011,S0.0021,Si0.192,Ni0.196,Cr0.048,Cu0.031,Al0.023,Mo0.093,V0.048,Ti0.012。鋼板由爐卷軋機生產(chǎn)線控制軋制成厚度為15mm厚度鋼板,利用改造后的超快冷層流冷卻裝備(Super-ACC)進行直接淬火。再對直接淬火的試驗鋼板做離線回火熱處理試驗,回火溫度分別為605、615、625、635、655、675℃,保溫時間為60min。之后做室溫拉伸試驗,在20、0、-20、-60、-80℃做沖擊試驗,并對不同溫度回火后的鋼板取金相試樣,經(jīng)研磨、拋光、侵蝕后在室溫下作光學(xué)、掃描電鏡觀察,并制備金屬薄膜樣進行透射電鏡組織觀察。2試驗結(jié)果2.1強度變化曲線表1給出了不同溫度回火后的力學(xué)性能,圖1為不同溫度回火后對比淬火態(tài)鋼板強度變化曲線。由圖1可見,屈服強度和抗拉強度均先隨回火溫度升高而增加,到達625℃時出現(xiàn)峰值。之后,呈現(xiàn)下降趨勢,在655℃時強度再次增大,出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象?？梢园l(fā)現(xiàn),試驗過程伸長率隨回火溫度升高逐漸增大。2.2沖擊功變化圖2給出了不同沖擊溫度下的沖擊功,可以看出,隨溫度上升沖擊功不斷提高,在-80～-40℃范圍沖擊功急劇增加,隨后增長平緩?？梢源_定不同回火溫度試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度均在-60℃以下。2.3貝氏體、板條和應(yīng)力圖3為不同溫度回火后在鋼板1/2厚處的金相組織照片。從中不難發(fā)現(xiàn),原軋態(tài)淬火鋼經(jīng)過回火后的顯微組織由板條貝氏體+馬氏體組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w、板條貝氏體及回火馬氏體混合組織,板條邊界依然清晰可見。在605～635℃回火溫度后的金相組織并沒有本質(zhì)上的差異,只發(fā)生回復(fù)并沒有發(fā)生再結(jié)晶。605℃回火后的粒狀貝氏體組織較大,因而出現(xiàn)力學(xué)性能上強度值較低,塑性也不太理想,綜合性能較差。而在655℃和675℃回火后的組織明顯出現(xiàn)多邊形等軸鐵素體,說明回火過程隨溫度升高逐漸發(fā)生了再結(jié)晶,板條邊界逐漸弱化消失,因而伸長率在655℃以上溫度回火急劇增加。3高溫退火高溫以上試驗結(jié)果表明,在605～675℃回火后的N610E鋼板力學(xué)性能變化規(guī)律為:強度先升高后降低,而后又升高再降低,出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象;韌性先降低后升高;塑性隨回火溫度升高而一直升高。在605～635℃窄區(qū)間回火溫度對金相組織演變的差異較小,沒有出現(xiàn)本質(zhì)上的不同,而在655℃以上溫度回火后組織演變較快,軟化明顯。回火過程因溫度的差異,一般表現(xiàn)不同的物理現(xiàn)象。原因主要有2個方面:在成分的分配上,包含因熱激活引起的原子長程擴散和局部濃度梯度引起的遷移(即短程擴散),以及因溶解度的差異表現(xiàn)出的在過飽和固溶體中第二相粒子的析出行為;在晶體空間點陣的重新構(gòu)建上,表現(xiàn)為較大彈性畸變能的釋放,伴隨的現(xiàn)象為回復(fù)和再結(jié)晶。對于低碳微合金鋼N610E而言,在605～675℃溫度回火,碳化物通過熱激活表現(xiàn)出的擴散差異相對較小,可以忽略。另外,隨回火溫度的升高,伴隨的回復(fù)現(xiàn)象越劇烈,板條貝氏體逐漸向平衡態(tài)演化,板條邊界通過合并以及相互吞噬變寬,位錯缺陷亦逐漸消失(圖4和圖5),對強度和硬度的軟化現(xiàn)象應(yīng)該越顯著。但是,因微合金元素過多,從而對溶解度的耦合效應(yīng)加強,表現(xiàn)出一定量第二相粒子即碳氮化物的析出有所不同?；鼗疬^程的回復(fù)和多邊形化與析出對力學(xué)性能的貢獻是矛盾的,但兩者同時產(chǎn)生作用?；鼗疬^程使得部分位錯在恢復(fù)和多邊形化過程中移動并消失,高溫回火階段以多邊形化為主,同時伴有亞晶和板條的合并,在宏觀力學(xué)上表現(xiàn)為軟化現(xiàn)象,即鋼的強度下降,塑性改善;直接淬火過程由于冷卻速度高,抑制了釩的碳氮化物在冷卻過程中的析出,碳氮化物高溫回火時開始在板條邊界、位錯線析出,并有效地釘扎了位錯(如圖5(d)中的箭頭指示),析出粒子與位錯的交互作用,在宏觀力學(xué)性能上表現(xiàn)出明顯的硬化現(xiàn)象,強度和硬度增加。兩種作用的結(jié)果是:615～635℃之間,析出作用對強度的影響強于軟化作用;盡管析出使強度提高,但是回火溫度升高產(chǎn)生的亞晶形成與合并、板條界面的部分消失(圖4(d)中的箭頭所示),位錯滑移更容易,使得塑性進一步提高。鋼中的微合金化元素為V和Ti,在試驗鋼成分條件下,根據(jù)V和Ti的碳氮化物的溶解度積關(guān)系式(T為溫度):lg[V%][C%]α=6.72?9500T(1)lg[Ti%][N%]=4.01?13850T(2)lg[Ti%][C%]=2.75?7000T(3)lg[V%][C%]α=6.72-9500Τ(1)lg[Τi%][Ν%]=4.01-13850Τ(2)lg[Τi%][C%]=2.75-7000Τ(3)計算可知,TiN在鋼中的析出溫度高于1350℃,為液析氮化物,TiC的析出溫度低于950℃,因為鋼中的氮質(zhì)量分數(shù)為50×10-6,Ti全部形成了TiN,因此無TiC析出。在鐵素體中,試樣成分下的VC平衡溶解度極小,相變溫度以下是VC的析出溫度范圍。但是,從析出動力學(xué)的角度看,只有溫度合適VC才能有效析出和長大;回火溫度升高,可使V的析出量增加5倍。由于VC析出溫度低,析出粒子細小、彌散(如圖5(d)中的箭頭指示位置的質(zhì)點),無法獲得其能譜和清晰的衍射斑點。而TiN粒子形成溫度高,析出質(zhì)點大,容易觀察和確定,圖6為635℃回火試樣透射電鏡下的碳氮化鈦析出形貌和能譜。4回復(fù)產(chǎn)品的穩(wěn)定性1)原軋態(tài)直接淬火鋼經(jīng)回火后的顯微組織由板條貝氏體+馬氏體組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w、板條貝氏體及回火馬氏體混合組織,板條邊界依然清晰可見,在605～635℃回火過程只發(fā)生回復(fù),沒有再結(jié)晶。而在655℃以上溫度回火后組織演變較快,逐漸發(fā)生再結(jié)晶,軟化明顯。2)N610E鋼強度隨回火溫度升高先升高后降低,而后又升高再降低,出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象;韌性先降低后升高;塑性隨