两相区热处理对工程结构用高强钢低周疲劳性能的影响

吕卫东

(宝山钢铁股份有限公司，上海201900)



两相区热处理对工程结构用高强钢低周疲劳性能的影响

吕卫东

(宝山钢铁股份有限公司，上海201900)

为提高工程结构用高强钢的低周疲劳性能，通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、疲劳试验等方法，研究了两相区热处理工艺条件下工程结构用钢的显微组织演变及低周疲劳断裂行为.结果表明：两相区热处理组织由细小且形状不规则的回火态马氏体与条带状铁素体组成，马氏体体积分数约为61.7%，残余奥氏体体积分数为2%～5%。试样具有优良的综合性能，与传统调质工艺相比，具有较低的屈强比及较高的低温冲击韧性.同时，两相区热处理后呈现出较高的抗低周疲劳性能，因为塑性变形能力提高，降低了过早形成疲劳裂纹的概率并减小裂纹扩展速率，使高应变低周疲劳性能提高.

两相区热处理；高强钢；高应变低周疲劳；循环特性

传统调质热处理工艺是钢板获得高强度的重要手段.然而，调质热处理后的显微组织通常为回火态的马氏体组织，往往具有相对较高的屈强比，在高应变载荷作用下容易造成应力集中而导致局部大变形，使得工程结构出现局部超载失稳[1].两相区热处理[2-3]是高强度结构用钢进一步获得优良综合性能的有效途径之一.在传统调质热处理工艺中引入两相区淬火，通过调节两相区加热温度与保温时间得到具有不同亚结构特点的M+F(马氏体+铁素体)双相结构，可以实现对热处理钢板力学性能的调控[4-5].工程结构用钢的高应变低周疲劳性能是其重要的使役性能之一，也是表征钢铁材料抗震性能的指标之一.本文以一种低合金高强结构钢为研究对象，分析了两相区热处理、显微组织特征以及高应变低周疲劳性能之间的关系，重点讨论分析了通过两相区热处理获得的复相组织微观特征对试样高应变低周疲劳性能的影响.

1　实验材料与方法

表1　实验钢的化学成分(质量分数)

用于进行高应变低周疲劳实验的试样沿钢板横向(垂直于轧制方向)进行截取，试样根据标准要求进行表面磨光处理.疲劳性能测试利用材料疲劳试验机在室温条件下完成，实验采取“拉-压”式的恒应变幅对称加载循环方式(波形为三角波，加载频率2Hz).实验过程中采用3%和6%两种应变幅，直至试样最终断裂.拉伸实验在万能试验机上进行，拉伸速度为 5 mm/min，试样同样沿钢板横向截取制备.试样的低温冲击韧性测试利用INSTRON冲击试验机在 -40 ℃ 条件下进行，标准试样(V型缺口)沿钢板的轧制方向进行截取制备.

金相试样分别经4%硝酸酒精和LePera试剂腐蚀后，利用LEICA光学显微镜(OM)和FEI QUANTA扫描电子显微镜(SEM)进行显微组织分析研究.利用X射线衍射仪(XRD)对试样中的残余奥氏体体积分数进行测定.利用扫描电镜对试样不同位置的疲劳断口形貌进行观察.

2　结果与讨论

2.1两相区热处理对组织性能的影响

两相区热处理后，试样的显微组织呈双相结构特征，其中铁素体组织呈明显的针条状，不规则形貌的细小块状回火态的马氏体分布在铁素体周边，如图1(a)与(c)所示.通过对试样进行测定，其马氏体体积分数约61.7%.另外，试样中还含有一定量的残余奥氏体，利用XRD测定其残余奥氏体体积分数为2%～5%.残余奥氏体与两相区二次淬火有密切的关系，在两相区内碳及合金元素扩散到奥氏体相中，在随后的淬火过程中，部分奥氏体由于富含足够的碳及合金元素等而具备较高稳定性，得以保留至室温，在后续的回火处理后，极少量最终残留下来.同时，根据文献[6-7]显示，两相区热处理可造成钢中化学成分浓度的变化，进而使得试样中局部微区内的Ac1相变温度点降低，这样在后续足够高温度的回火处理条件下，可在上述微区内形成逆转变奥氏体组织[6-7].板条束边界是扩散发生活跃区域，因此逆转变奥氏体易于在板条束边界附近形核，随着后续回火温度的升高，逆转变奥氏体的体积分数呈增大趋势[8].

经传统调质热处理的试样，其显微组织由回火态的马氏体组成.如图1(b)与(d)所示，马氏体板条束的部分边界消失，同时大量的析出相粒子呈不连续状分布在原奥氏体晶界和马氏体板条的边界上，马氏体组织的局部区域已回复成铁素体组织.

实验钢的力学性能如表2所示，可见两种工艺条件下试样的屈服强度相近，而屈强比和冲击功值存在较大差异；经两相区热处理试样具备较低的屈强比和较高的低温冲击韧性.经两相区热处理后显微组织由铁素体和回火马氏体构成，由于两相组织上的差别，在强度上存在相对的软相与硬相.在外载荷作用下，强度较低的铁素体组织作为软相提供了材料的屈服强度，显微组织中的回火态马氏体则作为硬相表征了材料的抗拉强度，因而，在这种包含软相与硬相的组织中，两相的强度差导致了实验钢屈服强度与抗拉强度之间的差值增大，进而降低了实验钢的屈强比.

另外，由图2可见，经两相区热处理的试样，在拉伸载荷作用下，其应力-应变曲线中出现屈服平台.具有双相结构特征的实验钢在拉伸载荷作用下往往呈连续屈服特征[9-10]，而本实验钢与之矛盾.两相区热处理试样显微组织中的铁素体呈现针条状(图1(a)与(c)所示)，其边界可有效地阻碍可动位错的移动，降低滑移位错平均自由程，使得在拉伸外载荷作用下形成屈服平台[11].

图1　不同工艺条件下实验钢的显微组织特征

图2　试样的拉伸应力-应变曲线

工艺屈服强度抗拉强度MPa屈强比 伸长率 %-40℃冲击功J两相区热处理6868130.8422.9196调质热处理7227680.9420.7135

2.2疲劳寿命与循环特性分析

应变幅(Δεt/2)分别为3%与6%条件下试样的低周疲劳寿命如表3所示.

表3　试样的高应变低周疲劳寿命

钢材的高应变低周疲劳特性主要取决于材料的塑性变形能力以及强度级别.经两相区热处理后的试样，由铁素体与马氏体双相组织构成，其具有相对较低的屈强比，均匀变形能力高于由单一回火态马氏体组成的调质热处理试样，最终两相区热处理试样具有相对较高的疲劳寿命.

图3为试样在高应变低周疲劳实验中的典型循环特征曲线.如图3(a)所示，在3%应变幅条件下，经两相区热处理的试样与常规调质热处理试样相比，在循环载荷过程中具有相对较高的应力值.同时，当载荷循环进行约3～4周后，试样的应力值达到最大，循环硬化约 54 MPa.继续施加循环载荷，应力幅值呈缓慢降低趋势，而调质试样则呈现较急剧的降低趋势，直至试样最终断裂.当提高应变幅至6%时，经两相区热处理后的试样，其经过更少的循环周次后即可达到循环硬化的最大值，而调质热处理试样则连续地发生循环软化直至断裂.在较大应变载荷作用下，两相区热处理的试样具备良好的循环硬化和循环稳定性，因而具有较高的吸收变形功能力，有效地避免急剧的循环软化发生，提高了材料的使用寿命.

图3　试样的高应变低周疲劳循环特性曲线

图4　两相区热处理试样在应变幅为6%条件下的疲劳断口形貌

2.3疲劳断口分析

对两相区热处理试样的典型疲劳断口进行SEM观察，断口形貌特征如图4所示.图4(a)为疲劳断口的全貌图像，在实验循环载荷条件下，疲劳裂纹在试样表面附近形核，成为裂纹源.疲劳裂纹在扩展初期，主要是以连续滑移方式进行扩展；另外在滑移方向上同时也存在着不连续的扩展发生，因而，在微裂纹萌生直至达到稳定的扩展过程中，在疲劳裂纹扩展区内形成了平滑的断口区，如图4(b)所示；该区域形貌由凹凸不平的光滑疲劳断片层组成，同时不同的断片层之间呈台阶状.在裂纹扩展过程中，当遇到夹杂物等粒子时，裂纹扩展路径受到影响，呈绕过质点继续扩展趋势，进而形成新扩展面.最终，在局部区域压应力及剪切应力作用下，在疲劳断裂面上形成了规律排布的轮胎压痕.图4(c)为平滑断口区与瞬时断裂区的过渡区域内存在的典型轮胎压痕花样图.图4(d)为瞬时断裂区断口形貌图像，该区域由不同尺寸的韧窝及其所形成的大量撕裂棱组成，表明经两相区热处理后的试样在高应变疲劳测试中具有良好的塑性变形能力.

经两相区热处理的试样具有良好的塑性变形能力，通过软相与硬相组成的双相组织特征，在疲劳载荷过程中有效避免了局部大应变的发生，减弱了试样的局部应力集中，显著抑制了微裂纹的过早形成并降低了其扩展的速率，试样呈现了较高的疲劳性能.

3　结　论

(1)经两相区热处理后，试样由细小且形状不规则的回火态马氏体与条带状铁素体组成，其中马氏体体积分数约为61.7%，残余奥氏体体积分数为2%～5%.

(2)在2Hz加载频率下，两相区热处理试样呈现出相对较高的抗低周疲劳性能，与调质试样相比，在高应变疲劳实验中，经两相区热处理后的试样，具有良好的循环硬化及循环稳定性，因此在循环载荷下具备较高的塑性变形能力，避免材料过早发生失效.

(3)通过两相区热处理工艺，试样获得双相组织，利用其协调变形机制，通过提高塑性变形能力，进而减弱应力集中，减小过早形成疲劳裂纹的概率并降低扩展速率，有利于提高材料的高应变低周疲劳性能.

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Effect of heat treatment in two-phase region on low-cycle fatigue properties of high strength steel for engineering structures

Lü Weidong

(Baoshan Iron & Steel Co.,Ltd.Shanghai 201900,China)

Optical microscopy,scanning electron microscopy,X-ray diffraction and fatigue tests were used to study the microstructure evolution and low-cycle fatigue fracture behavior of the engineering structure steel treated by heat treatment in two-phase region.The results showed that the microstructure consists of fine and irregularly tempered martensite and stripped ferrite,where the martensite is about 61.7 % and the residual austenite is about 2%～5%.The samples possess excellent comprehensive properties.Compared with the conventional quenched and tempered steels,our samples have a lower yield ratio and a higher low-temperature impact toughness.Meanwhile,the tested samples present a relatively higher low-cycle fatigue resistance.The high plasticity deformation capacity can reduce the probability of early formation of fatigue crack and decrease the crack propagation rate,which ensure that the samples have good high-strain low-cycle fatigue properties.

two-phase region heat treatment; high strength steel; high-strain low-cycle fatigue; fatigue cycle characteristics

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.02.011

TG 155.1

A

1671-6620(2016)02-0132-05