回火温度对800MPa级低碳贝氏体钢组织及性能的影响

孔德南 刘艳玲 齐乐 魏玉芝 周茂奇

( 安阳钢铁股份有限公司)

0 前言

低碳贝氏体钢是一种具有强度高、韧性好、良好的加工性能和焊接性能的钢种。采用TMCP 工艺生产的800 MPa 级低碳贝氏体钢，为了更好的消除应力和得到优良的综合性能，采用回火处理。轧制后的热处理工艺对800 MPa 低碳贝氏体钢的组织类型、组织比例、组织细化程度及第二相粒子的析出行为具有很大影响，回火温度对材料的组织及性能至关重要。为此，笔者就不同回火温度对Mn －Mo －Nb－B 系800 MPa 级低碳贝氏体钢的强塑性、韧性及显微组织的影响进行了分析探讨。

1 试验

1．1 试验材料

为了能确定回火温度对强度和韧性的影响，试验材料选取TMCP 工艺轧制后强度相对适中而冲击韧性较低的材料，进行不同温度的回火试验，试验材料的化学成分见表1。回火处理前试验材料的力学性能见表2。

表1 试验材料的化学成分 wt%

表2 试验材料TMCP 工艺轧制后的性能

1．2 工艺路线

试验材料所采用的工艺流程: 铁水预处理→复吹转炉→LF 炉→板坯连铸→3500 mm 炉卷轧机→热处理生产线。

1．3 试验方法

回火试验在辊底式无氧化热处理炉中进行，热处理加热系数K =3，加热温度偏差控制在±5 ℃。试验材料分别进行400 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃等不同温度的回火处理，然后分别进行力学性能及金相组织检验。

2 试验结果与分析

2．1 回火温度对力学性能的影响

试验钢经过不同温度的回火处理后，其性能出现了较大差异，回火温度对试验钢强塑性及韧性的影响如图1、图2 所示。

图1 回火温度对强塑性的影响

图2 回火温度对韧性的影响

由图1 可以看出，回火温度在400 ℃～550 ℃时，屈服强度在750 MPa ～760 MPa 之间，基本没有多大变化，随着回火温度的升高，屈服强度逐渐降低。抗拉强度在400 ℃回火时基本不变，在500 ℃～550 ℃回火时抗拉强度下降到820 MPa 左右，下降了40 MPa，随着回火温度的升高，抗拉强度急剧下降，其下降幅度明显大于屈服强度的下降趋势。

由图2 可以看出，冲击韧性随回火温度的升高，呈现先升高后降低的趋势，冲击韧性在550 ℃左右达到最高值。

2．2 回火温度对显微组织的影响

为进一步了解回火温度对800 MPa 级低碳贝氏体钢性能的影响，利用ZEISS Observer A1m 金相显微镜对试验钢轧制态及回火后热处理态试样进行显微组织观察，轧态及不同回火温度的显微组织如图3 所示。

图3 不同回火温度下的显微组织

由图3 可以看出，轧制态试样的显微组织为在压扁的原始奥氏体晶粒内部形成的板条贝氏体和粒状贝氏体组成的混合组织，原始奥氏体界清晰可见，在一个原始奥氏体晶粒内可将明显的分区现象，各个分区的边界明显，板条贝氏体的板条方向一致，相互平行，贝氏体束的尺寸较大，板条较长。经400 ℃回火处理后，显微组织仍为板条贝氏体和粒状贝氏体组成的混合组织，组织没有根本性转变，只是贝氏体铁素体板条略微粗化;回火温度为500 ℃时，部分板条贝氏体的板条束开始合并，并有部分板条转换成粒状贝氏体;550 ℃回火时，板条贝氏体束进一步合并，数量减少，粒状贝氏体含量增加，并开始出现多边形铁素体;600 ℃回火时，板条贝氏体束开始消失，大角度晶粒减少，晶粒变大;650 ℃回火时，较大的粒状贝氏体较多，晶粒相对粗大。

3 讨论

资料［1］显示，低碳贝氏体钢的轧制态组织为中温转变的微米及亚微米级贝氏体组织，尤其是板条贝氏体，这种组织本身是一种亚稳组织，具有自发向平衡态组织及多边形铁素体转变的倾向。然而从系列回火温度的显微组织显示，经回火处理后仍然难以变成平衡态组织，这主要是由于低碳贝氏体钢轧态组织中的板条贝氏体内的位错密度较高，且钢中含有的微合金Nb、Ti 等在轧制及回火处理过程中会形成大量细小的第二相粒子，这些细小弥散的析出粒子会钉扎位错，从而阻碍亚稳态组织向平衡组织的转变。一般认为，钢中形成多相组织的混合组织对获得强韧性良好的综合性能较为有利。从试验结果来看，回火温度在500 ℃～550 ℃时的综合性能最好，强度较轧制态略有下降，而冲击韧性却有大幅度提高。这主要是在500 ℃～550 ℃回火时，相变位错首先发生回复，位错密度下降，固溶强化作用减弱，微细板条状贝氏体组织在回火过程中，板条内部分位错消失，大部分位错形成胞状结构，贝氏体板条展宽，板条间发生合并，并形成多边形铁素体［2］，造成强度降低。但回火时原有混乱状态存在的位错转变为位错胞状结构，位错的重组形成有一定取向差的亚结构，使有效晶粒尺寸变小，同时有细小的第二相粒子大量析出，M/A 岛分解细化，以及多边形铁素体的比例增加，冲击韧性得到大幅度提高。但随着回火温度的增高，一方面碳氮化物析出粒子逐渐长大，并粗化，位错开始脱离析出物的钉扎，因而使位错强化、析出强化效果明显减弱，同时贝氏体板条也逐渐粗化，板条之间发生合并，形成多边形铁素体，因此强度随之下降。另一方面残余奥氏体大量分解［3］、大角度晶界减少、有效晶粒尺寸变大等，导致强度和冲击韧性都大幅度降低。因此只有采用合理的回火工艺，才能获得良好的综合性能。

4 结论

通过对不同回火温度得到的显微组织及力学性能的研究分析，得出:

1) 回火温度对800 MPa 级低碳贝氏体钢的显微组织和性能有着显著的影响。回火温度过低时，虽然强度变化幅度较小，但冲击韧性不能得到有效改善。而回火温度过高时，强度大幅度下降，同时冲击韧性也得不到改善。

2) 就试验钢的成分体系而言，回火温度采用500 ℃～550 ℃回火，可以得到良好的综合性能。

［1］王克鲁，鲁世强，陈庆军，等．回火温度对热轧低碳贝氏体钢显微组织和力学性能的影响［J］．机械工程材料，2009，33(5): 9－11．

［2］贺信莱，尚成嘉，杨善武，等．高性能低碳贝氏体钢［M］． 北京:冶金工业出版社，2008:191 －193．

［3］彭金明，罗毅，汪宏斌，等．回火温度和时间对贝氏体型非调质钢力学性能的影响［J］．上海金属，2009，31(3) :16 －19．