mb混合組織對(duì)低碳馬氏體鋼強(qiáng)韌性的影響

mb混合組織對(duì)低碳馬氏體鋼強(qiáng)韌性的影響

10碳馬氏體鋼厚板是一種專(zhuān)用結(jié)構(gòu)鋼。實(shí)際設(shè)計(jì)對(duì)其性能要求非常嚴(yán)格。在大的厚度上，不僅需要高強(qiáng)度，還需要良好的低溫耐寒性。此外，還需要良好的焊接性和抗海水侵蝕性。特厚鋼板的生產(chǎn)、軋制和熱傳遞過(guò)程均受厚度的影響,造成了從表面到心部相變過(guò)冷度、動(dòng)力學(xué)條件的不同。在整個(gè)厚度方向上難以完全達(dá)到臨界冷卻速度,形成了馬氏體、貝氏體多相組織。本文采用有限元模擬、彩色金相以及背散射電子衍射(EBSD)技術(shù),分析板條M/B混合組織對(duì)低碳馬氏體鋼強(qiáng)韌性的影響,并研究板條M/B混合組織改善強(qiáng)韌性的原因,為工業(yè)生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。1熱分析測(cè)試方法試驗(yàn)材料為板厚120mm的高強(qiáng)度低碳馬氏體鋼,化學(xué)成分見(jiàn)表1。沿鋼板表面、1/4厚以及中心分別取橫向試樣進(jìn)行試驗(yàn)。拉伸試樣尺寸為ue78810mm×110mm;V型沖擊試樣尺寸為10mm×10mm×55mm,開(kāi)槽方向垂直于軋制面。組織用4%的硝酸酒精腐蝕,晶粒度用過(guò)飽和苦味酸水溶液腐蝕。馬氏體、貝氏體組織分離采用Lepera(4%苦味酸酒精溶液+1%偏重亞硫酸鈉溶液1∶1)試劑腐蝕。利用熱場(chǎng)發(fā)射SEM中集成的EBSD/EDS系統(tǒng)分析和統(tǒng)計(jì)亞結(jié)構(gòu)晶界長(zhǎng)度。EBSD取向圖步長(zhǎng)尺寸為0.8μm,其步長(zhǎng)尺寸的選定根據(jù)板條塊寬度而定,比板條塊寬度小。對(duì)特厚板(鋼板寬厚規(guī)格為2000mm×120mm)淬火冷卻過(guò)程進(jìn)行有限元模擬,建立數(shù)學(xué)模型,采用ANSYS分析軟件建立鋼板2-D模型,選擇plane55熱單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。獲得厚板不同部位的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布和溫度隨時(shí)間變化曲線,為淬火冷卻過(guò)程組織轉(zhuǎn)變提供有力的指導(dǎo)。試驗(yàn)鋼的熱物性參數(shù)示于表2。分別在特厚板表面和中心部位取樣,采用相同熱處理工藝(900℃保溫1h后淬火,然后經(jīng)630℃、640℃、650℃×2h回火)進(jìn)行冶金質(zhì)量驗(yàn)證,分析表面和心部冶金質(zhì)量差異對(duì)力學(xué)性能的影響。為了排除冶金質(zhì)量的影響,在特厚板同一位置(表面位置)取樣,加熱到900℃,保溫1h后分別以水淬和快風(fēng)冷方式冷卻,然后640℃×2h回火進(jìn)行分析表面和心部的組織差異對(duì)性能的影響。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1低碳板條馬氏體組織工業(yè)生產(chǎn)120mm特厚板表面、1/4位置和中心各部位淬火組織示于圖1。圖1表明,表面(圖3a)板條結(jié)構(gòu)整齊,是典型的低碳板條馬氏體組織。1/4位置和中心淬火組織(圖3b和3c)與表面組織稍有差別,而板條結(jié)構(gòu)依然整齊,出現(xiàn)板條貝氏體組織。采用Lepera著色腐蝕,馬氏體呈白色,貝氏體呈現(xiàn)棕褐色。著色腐蝕表明1/4位置和中心得到板條M/B混合組織。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,1/4位置貝氏體含量達(dá)到10%,而心部貝氏體含量達(dá)到20%。2.2冷卻速度對(duì)各部位組織轉(zhuǎn)變的影響對(duì)120mm特厚板淬火冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)變化進(jìn)行ANSYS有限元模擬,分析不同部位的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布,溫度隨時(shí)間變化關(guān)系。圖2(a)是10CrNi5Mo鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線,圖2(b)是ANSYS有限元模擬厚度方向各部位的冷速曲線和CCT曲線的疊加圖。圖2(a)連續(xù)冷卻曲線表明,當(dāng)冷卻速度大于2.6℃/s時(shí),鋼連續(xù)冷卻組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體;當(dāng)冷卻速度在0.79~2.6℃/s范圍內(nèi),組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體/貝氏體混合組織;當(dāng)冷卻速度小于0.79℃/s時(shí),全部轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織。由圖2(b)分析知,在距表面20mm位置平均冷速達(dá)到2.72℃/s,淬火冷卻過(guò)程只經(jīng)過(guò)馬氏體組織轉(zhuǎn)變區(qū),全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織;距表面30mm(1/4)位置和心部的平均冷速分別為2.15℃/s、1.72℃/s,在淬火冷卻過(guò)程中組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體/貝氏體混合組織。平均冷速越小,經(jīng)過(guò)M/B混合組織轉(zhuǎn)變區(qū)的時(shí)間越長(zhǎng),貝氏體含量越多。從表面到心部,貝氏體含量逐漸增加。2.3晶粒尺寸對(duì)力學(xué)性能的影響本實(shí)驗(yàn)鋼特厚板顯微組織見(jiàn)圖3。圖3(a)、3(b)表明,表面是B1細(xì)系氧化鋁類(lèi)夾雜,而中心是B1粗系氧化鋁類(lèi)夾雜。晶粒統(tǒng)計(jì)表明表面晶粒尺寸20.1μm(8.0級(jí)),而中心晶粒尺寸24.1μm(7.5級(jí)),從表面到中心由于產(chǎn)品厚度大,變形滲透困難,晶粒平均尺寸有一定的上升,對(duì)心部強(qiáng)韌性具有一定的不利影響。在特厚板表面和中心分別取樣,進(jìn)行冶金質(zhì)量驗(yàn)證試驗(yàn),其強(qiáng)韌性變化示于圖4。在調(diào)質(zhì)過(guò)程中奧氏體化溫度和保溫時(shí)間相同,認(rèn)為表面和中心試樣晶粒尺寸相同,排除晶粒尺寸對(duì)強(qiáng)韌性影響;本試驗(yàn)采用20mm×20mm×200mm小試樣,在淬火冷卻過(guò)程中完全形成馬氏體組織,排除組織對(duì)強(qiáng)韌性的影響。由圖4可見(jiàn),在相同回火溫度下,表面和中心的強(qiáng)度和韌性差別很小,表明特厚板厚度方向各部位冶金質(zhì)量差別很小,對(duì)強(qiáng)度和韌性基本沒(méi)有影響。故認(rèn)為冶金質(zhì)量對(duì)10CrNi5Mo鋼特厚板沒(méi)有產(chǎn)生截面效應(yīng)。2.4性能分析和晶界及微觀組織10CrNi5Mo鋼特厚板表面、1/4部位和中心部位強(qiáng)度、塑性和韌性變化示于圖5。圖5表明,表面、1/4部位和中心部位的Rm、RP0.2、A%和Z%變化很小,而沖擊功從表面至中心依次增加,尤其在-84℃時(shí)沖擊值大幅度提高,表面位置沖擊功僅為30J,而1/4部位達(dá)到92J,心部遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于表面達(dá)到138J。特厚板不同部位系列溫度沖擊功、纖維斷面率及側(cè)膨脹隨溫度變化曲線圖示于圖6(a)、6(b)和6(c)。分別根據(jù)能量、斷口形貌和塑性變形來(lái)分析試驗(yàn)鋼的韌脆轉(zhuǎn)變特性,圖6(a)表明,中心部位沖擊韌性(尤其是低溫韌性)高于1/4部位,1/4部位高于表面。根據(jù)50%斷面纖維率對(duì)應(yīng)的溫度作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度(Tk),表面、1/4部位和中心部位的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為-60、-80和-100℃。若把0.38mm側(cè)膨脹量對(duì)應(yīng)的溫度作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度,表面的韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-92℃,而1/4部位和中心都低于-100℃。表明心部具有更高的韌性和更低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。在水淬和快風(fēng)冷方式下獲得組織見(jiàn)圖7,水冷方式下獲得單一馬氏體組織,快風(fēng)冷方式下得到板條M/B混合組織。由圖7表明試驗(yàn)鋼水淬后獲得單一馬氏體組織,板條結(jié)構(gòu)清晰,是典型的低碳板條馬氏體;經(jīng)快風(fēng)冷方式后,獲得板條M/B混合組織,仍是板條結(jié)構(gòu),但變得模糊。板條馬氏體和板條M/B混合組織強(qiáng)韌性對(duì)比見(jiàn)圖8。圖8表明,板條M/B混合組織的抗拉強(qiáng)度比單一馬氏體組織稍高,屈服強(qiáng)度比單一馬氏體下降45MPa。而板條M/B混合組織比單一馬氏體組織在-20℃沖擊功高30J,在-84℃的沖擊功卻提高117J。表明板條M/B混合組織在保證強(qiáng)度下降不多的情況下,可以大幅度提高鋼的韌性,特別是低溫韌性。故認(rèn)為10CrNi5Mo鋼特厚板調(diào)質(zhì)處理后,表面和中心的組織差異是造成心部獲得優(yōu)良低溫韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的主要原因。在120mm特厚板表面和心部分別取EBSD試樣,選取相等(250μm×160μm)區(qū)域進(jìn)行掃描,馬氏體和M/B混合組織單元圖和單位面積晶界分布圖示于圖9。經(jīng)TSLOIM軟件統(tǒng)計(jì)單位面積晶界長(zhǎng)度示于表3。圖10為單一馬氏體和M/B混合組織單位面積大角晶界長(zhǎng)度和沖擊功關(guān)系曲線。從圖9(a)和9(b)可以看出,板條M/B混合組織較單一馬氏體組織具有更小的亞結(jié)構(gòu),晶界圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明M/B混合組織具有較長(zhǎng)的大角晶界長(zhǎng)度。圖10表明沖擊功隨著單位面積大角晶界長(zhǎng)度的增加而增加,大角晶界主要分布在45°<θ<65°范圍內(nèi),而分布在15°<θ<45°范圍內(nèi)較短。原因是由奧氏體晶粒轉(zhuǎn)變來(lái)的馬氏體有24種相等意義晶體學(xué)變量,這24種變量中有16種相鄰變體(板條塊)之間的取向差角分布在45°<θ<65°范圍內(nèi)。由于兩種試樣EBSD掃描區(qū)域面積相等,原始奧氏體晶粒尺寸相等且是大角晶界,故認(rèn)為它們的原始奧氏體晶界長(zhǎng)度相等。研究指出,裂紋擴(kuò)展遇到大角晶界(原始奧氏體晶界、板條束界和板條塊界)發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折,吸收較多能量提高沖擊功,而遇到小角晶界(板條界)沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)折。因此可認(rèn)為,兩種組織中韌性變化主要是亞結(jié)構(gòu)晶界(板條束和板條塊界)所起的決定性作用,裂紋擴(kuò)展至這些晶界處發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折,且隨著它們的長(zhǎng)度增加沖擊功增加。10CrNi5Mo鋼特厚板心部具有20%的貝氏體較1/4(10%B)和表面(0%B)具有更高的韌性和更低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。表明馬氏體、貝氏體組織混合后,強(qiáng)韌性?xún)?yōu)于單一馬氏體組織,且并非貝氏體含量越多韌性越好,而存在最佳含量比例。不同比例的馬氏體、貝氏體混合后細(xì)化板條束和板條塊,增加大角晶界長(zhǎng)度,裂紋擴(kuò)展吸收更多能量提高沖擊功是板條M/B混合組織改善強(qiáng)韌性的微觀機(jī)理。3特厚板心部m/b混合組織的制備1)10CrNi5Mo鋼特厚板厚度方向冶金質(zhì)量差別很小,對(duì)強(qiáng)度和韌性影響不大;2)