低焊接裂纹敏感性钢回火组织及力学性能研究

兰亮云，邱春林，赵德文，高秀华，杜林秀

(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁110819，E-mail:lly.liangyun@gmail.com)

低焊接裂纹敏感性钢回火组织及力学性能研究

兰亮云，邱春林，赵德文，高秀华，杜林秀

(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁110819，E-mail:lly.liangyun@gmail.com)

为优化高强度低焊接裂纹敏感性钢的力学性能，对其热轧态钢板进行了不同温度的回火实验.通过光学显微镜、扫描电镜和透射电镜观察了回火显微组织的演变特征，并结合相应的力学性能检测手段分析了不同回火温度下显微组织与力学性能的关系.结果表明，550℃回火后屈服强度和抗拉强度较热轧态强度分别提高了115和30 MPa，平均冲击功提高了30 J.此回火温度下的组织维持了热轧态的晶界强化和位错强化效果，同时，弥散细小析出相分布在位错线上产生的析出强化效果成为提高回火强度的重要原因.650℃回火后组织中出现新相马氏体沿原始奥氏体晶界和退化板条贝氏体晶界断续分布，导致冲击韧性明显下降.

低焊接裂纹敏感性钢;回火组织;板条贝氏体;位错

低焊接裂纹敏感性高强钢(CF钢)是一类具有优良焊接性能和低温韧性的低合金高强度钢，可应用于高层建筑，桥梁和造船等领域，其优点是对大型高强钢结构焊接时可以免除预热，焊后热处理等工序，且不会产生焊接裂纹［1］.

此钢种常用生产工艺有直接热机械轧制(TMCP)，TMCP+回火以及TMCP+调质处理工艺.TMCP+调质处理是最为常见的工艺，但工艺复杂，生产成本较高.直接TMCP工艺虽然工艺简单，但热轧板往往会出现各向异性导致成材率较低.有研究表明，适当的回火工艺可以大幅度提高钢的强度，冲击韧性和延伸率等性能［1－4］.回火工艺的选择主要取决于钢中合金元素和热轧态显微组织，具有高强度的板条贝氏体组织在不同回火工艺下的显微组织演变比较复杂.对于不同微合金成分设计钢种，回火过程中析出相强化效果以及回火脆性行为也会存在差异.本文针对一种Mo－Nb－Cu－B系屈服强度为690 MPa级别的低焊接裂纹敏感性钢进行了热轧和回火实验，分析不同回火温度对显微组织和力学性能的影响.

1 试验材料及方法

试验用钢的化学成分为(质量分数/%):C 0.063，Si 0.27，Mn 1.71，并添加适量Mo、Cr、Ni、Cu、Nb、V、B等微合金元素.试轧坯料尺寸为130 mm×100 mm×150 mm(长×宽×高)，采用两阶段控制轧制和水幕加速冷却试制热轧钢板.奥氏体再结晶区轧制的总压下量为50%，轧制温度在1 050～1 150℃，为了细化奥氏体晶粒尺寸，此阶段采用少道次大压下量的轧制规程;奥氏体非再结晶区的总压下量为65%，轧制温度控制在800～850℃.终轧厚度为20 mm，终轧后进行短时间空冷(钢板入水前瞬间温度与终轧温度相比并没有明显下降)，水幕加速冷却速度为15.8℃，终冷温度为504℃.

从热轧钢板切取回火试样，回火实验在普通热处理炉进行.将炉内温度加热到设定温度(320，450，550，650℃)保温30 min以均匀炉腔内温度.试样放入炉内保温1 h，然后空冷至室温.从热轧态和回火态钢板上取横向试样，加工成直径为φ8 mm的拉伸试样和尺寸为10 mm×10 mm× 55 mm的冲击试样，并按国家标准GB/T228，229－2005分别进行拉伸和冲击实验(冲击温度为－20，－40℃.沿轧制方向切取金相试样，经过粗磨抛光后采用2%硝酸酒精溶液进行侵蚀，并在扫描电镜(FEI Quanta600)和光学显微镜(LEICA DMIRM)下观察其显微组织.为了解回火过程中精细结构的演变，从金相试样上切取400 μm厚的薄片，经过粗磨，冲孔，9%高氯酸溶液中进行双喷等工序制备透射试样.

2 试验结果及分析

2.1 回火过程的显微组织演变

图1 热轧态和回火态的显微组织

图1给出了热轧态和回火后试样中心厚度处的显微组织.图1(a)为热轧态的组织形貌，其主要显微组织为针状铁素体和少量粒状贝氏体组织，保留了明显的原始奥氏体晶界，在原始奥氏体晶界内相互平行的针状铁素体形成贝氏体板条束结构，且与原始晶界成一定角度.图1(b)为经过320℃回火后的显微组织，可以看出低温回火后主要显微组织仍为针状铁素体+粒状贝氏体组织，但针状铁素体的宽度有所增加.450℃和550℃回火后的显微组织变化也不大(图1(c)和(d))，但由于部分亚稳态贝氏体板条束的消失，使粒状贝氏体含量有所增加.650℃回火的金相显微组织有明显的变化(图1(e))，大量板条结构消失，只有具有高温回火稳定性的少量板条结构存在，形成以粒状贝氏体为主的显微组织，粒状贝氏体中MA组元以及碳化物含量减少，甚至可以观察到无MA组元分布的准多边形铁素体组织.在原始奥氏体晶界处析出一类黑色组织，这类组织可能是新生成的马氏体，或者是碳化物析出相.

2.2 回火温度对板条贝氏体形貌的影响

图2为热轧态和不同回火温度下板条贝氏体形貌.由于钢中含有多种稳定过冷奥氏体的微合金元素，能够促进中温相变组织转变，即使终冷温度在500℃以上，热轧态的精细结构中存在大量板条贝氏体.根据板条贝氏体的长度尺寸，可分为短板条束和长板条束两类，图2(a)显示的是板条宽为0.2～0.6 μm，板条长为1～2 μm的短板条结构，与周围长板条束(板条长度为3～12 μm)相互交叉.板条束的晶界强化效果主要取决于板条束的长度尺寸，由公式(1)可知［5］，短板条结构的出现，增加了板条贝氏体的晶界强化效果.

式中:σg为晶界强度，Kg为常数，M为与板条贝氏体束尺寸有关的形状参数.

图2(b)为550℃回火后原始奥氏体晶界处的板条贝氏体形貌.在板条贝氏体束顶端保留了清晰的原始奥氏体晶界，原始奥氏体晶界的形成与板条贝氏体的切变形核与长大机制有关.切变机制只需铁原子进行调节式移动，但具有大缺陷的原始奥氏体晶界能阻止铁原子调节式移动，使板条贝氏体的生长限制在原始奥氏体晶粒内［6］.大部分板条间晶界比较清晰，表明550℃回火的显微组织仍维持了板条贝氏体晶界强化效果.图2(c)为650℃高温回火后板条贝氏体结构，短板条贝氏体保持了清晰的晶界，而长板条贝氏体的大部分板条晶界消失，板条宽度明显增加，特别是长板条贝氏体束端部已经转变成准多边形铁素体形貌.说明短板条贝氏体的回火稳定性比长板条贝氏体的回火稳定性要好.同时长板条结构的消失，使贝氏体板条的晶界强化效果降低.

图2 热轧态和回火态的板条贝氏体形貌

2.3 回火温度对位错密度的影响

图3为不同工艺后板条贝氏体内部位错密度变化情况.图3(a)为热轧态板条贝氏体内部的高密度位错形貌.这种高密度位错主要来源于两个方面［5］:一是在奥氏体非再结晶区进行总压下量为65%变形，变形奥氏体中产生了高密度位错，并通过贝氏体切变机制将母相中的大部分位错继承下来，二是贝氏体相变时产生体积效应而形成的相变位错，由于贝氏体相变温度低，相变位错密度就能达到1014m－2数量级［7］.高密度位错产生的位错强化效果可由式(2)计算［8］，

式中:α为常数，M为泰勒平均因子，b为柏氏矢量，G为剪切模量，ρ为位错密度.当位错密度为1014m－2时，可将强度提高145 MPa.

图3(b)为550℃回火后板条内部的回火位错形貌.回火后，板条内部位错发生回复，位错的多边化形成位错胞状结构，图中可看到板条中间出现尺寸约为200 nm长，150 nm宽大位错胞.但板条边界仍具有较高位错密度.其原因是钢中存在的C，B，N等间隙原子，在相变过程中这些间隙原子均向晶界发生偏聚，导致晶界处的位错容纳了过饱和间隙原子［7］.这些原子的存在可以阻碍回复位错移动，提高了晶界处位错的回火稳定性.图3(c)为650℃回火后板条内部的位错形貌，回火温度升高，位错密度显著降低，仅有亚结构周围缠结了较高位错密度的位错带.

图3 热轧态回火态的板条贝氏体内部位错密度演变

2.4 力学性能结果

图4给出了热轧态和回火态力学性能结果，力学性能结果满足行业标准YB/T4137－2005规定.热轧态屈服强度和抗拉强度分别为730和885 MPa.320℃低温回火后，强度没有明显变化.回火温度达到450℃时，屈服强度和抗拉强度较热轧态均出现小幅度下降.当回火温度上升到550℃时，屈服强度和抗拉强度较热轧态有明显提高，分别提高了115 MPa和30 MPa.根据上述分析可知，550℃回火后显微组织仍保留了热轧态的晶界强化和位错强化效果.由于试验钢中含有Nb，V等碳氮化合物形成元素，水幕加速冷却抑制了析出相的形成，在550℃回火过饱和固溶Nb、V均可弥散析出，产生析出强化效果.Dhua等人对 HSLA－100钢的回火特性分析表明［2］，550℃回火也是ε－Cu弥散析出的最佳温度.图3(b)可观察到纳米级析出相在板条贝氏体内位错线上的弥散析出，对位错移动有钉扎作用，这也提高了位错强化效果.当650℃回火时，屈服强度和抗拉强度较热轧态相比分别降低了40和55 MPa，由于高温回火过程中板条晶界的消失，位错密度的降低等因素削弱了强化效果.图4(b)为拉伸试样的延伸率和断面收缩率随回火温度的变化趋势，延伸率和断面收缩率在回火温度为550℃出现下降，650℃回火时又上升，与强度的变化趋势正好相反.

图4 回火温度对力学性能的影响

图4(c)为回火温度对试验钢冲击韧性的影响.由于高位错密度显微组织以及贝氏体板条束间析出一类长棒状硼碳析出相(图5(a)所示)，导致热轧态的冲击吸收功较低.经过不同回火温度后冲击韧性有所提高，回火温度为 320和550℃时，冲击温度－40℃时吸收功高于100 J.但在450℃回火时出现回火脆性，冲击温度为－40℃时，吸收功为84 J.此时的回火脆性主要是因为S，P等不纯杂质原子在晶界非平衡偏聚产生的［9］.650℃回火时，冲击韧性明显下降，冲击温度－20℃时，吸收功仅为86 J.TEM观察到沿原始奥氏体晶界或退化贝氏体的板条晶界处出现第二相组织(如图5(b)和5(c)所示).EDX能谱分析可知，新相中主要含有Fe，C两种元素，有时出现B，Mn，Cr等元素的富集.微区衍射分析表明，此类组织具有体心立方结构，应该是新生成的马氏体组织.由于晶界处存在大量间隙原子的偏析，显著降低了晶界处的Ac3温度;同时经未再结晶区轧制的原始奥氏体晶界储存了较高的奥氏体形变激活能［10］，降低了奥氏体形核的势垒，使650℃回火形成了新的奥氏体晶粒.回火后开始冷却速度较快，使新形成的奥氏体转变成马氏体组织.硬脆相马氏体周围在冲击力作用下会产生应力集中区，与基体组织发生分离而形成显微裂纹，导致此回火温度下的冲击韧性明显降低.

图5 热轧态和650℃回火后的第二相组织形貌

3 结论

1)试验钢热轧态显微组织主要为针状铁素体+少量粒状贝氏体组织，经过不同回火温度(320～550℃)后，显微组织仅发生亚稳态贝氏体板条回复，650℃回火后显微组织以粒状贝氏体为主，保留少量具有高温回火稳定性的板条结构.

2)经550℃回火后，屈服强度和抗拉强度较热轧态分别提高115和30 MPa，延伸率保持不变，－40℃平均冲击功提高了30 J.析出强化同时维持了位错强化和晶界强化是550℃回火获得高强度的主要原因.550℃是试验钢的适宜回火温度.

3)650℃高温回火后，由于位错密度的降低和大量板条晶界的消失使屈服强度和抗拉强度出现下降.在原始奥氏体晶界或退化板条贝氏体晶界上生成新相马氏体导致冲击韧性下降.

［1］陈 晓，陈颜堂，王 蕾，等.大线能量低焊接裂纹敏感性钢的显微组织［J］.中国有色金属学报，2004，14(S1):217－223.

［2］DHUA S K，MUKERJEE D，SARMA D S.Influence of tempering on the microstructure and mechanical properties of HSLA－100 steel plates［J］.Metallugrical and materials transactions a，2001，32:2259－2272.

［3］武会宾，尚成嘉，赵运堂，等.回火对低碳贝氏体钢组织稳定性及力学性能的影响［J］.钢铁，2005，40 (3):62－66.

［4］史晓敏，王森云，王有铭.590 MPa高强度船用钢板调质工艺的优化［J］.材料科学与工艺，2008，16 (6):785－789.

［5］BHADESHIA H K D H，CHRISTIAN J W.Bainite in steels［J］.Metallurgical transactions A，1990，21A:767－797.

［6］BHADESHIA H K D H.The bainite transformation:unresolved issues［J］.Materials science and engineering a，1999，273:58.

［7］EDMONDS D V，COCHRANE R C.Structure-property relationships in bainitic steels［J］.Metallurgical transactions a，1990，21:1527－1540.

［8］CHARLEUX M，POOLE W J，MILITZER M，et al.Precipitation behavior and its effect on strengthening of an HSLA－Nb/Ti steel［J］，Metallurgical and materials transactions a，2001，32:1635－1647.

［9］MUJAHID M，LIS A K，GARCIA C I，et al.HSLA-100 steels:Influence of aging heat treatment on microstructure and properties［J］.Journal of materials engineering and performance，1998，7(2):247－257.

［10］刘东升，王国栋，刘相华，等.奥氏体变形对低碳Mn－B－Nb－Ti钢连续冷却相变的影响［J］，金属学报，1999，35(8):816－822.

Tempering structure evolution and mechanical properties of a low welding crack susceptibility steel

LAN Liang-yun，QIU Chun-lin，ZHAO De-wen，GAO Xiu-hua，DU Lin-xiu
(State Key Lab of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China，E-mail:lly.liangyun@gmail.com)

To optimize the mechanical properties of a high strength low welding crack susceptibility steel，different temperature tempering tests were carried out on the hot-rolled steel plates in this study.Optical microscopy，scanning electron microscopy and transmission electron microscopy were employed to observe tempering microstructure evolution，and the relationship of tempering microstructures and corresponding mechanical properties was analyzed according to the results of mechanical properties tests.The results shows that the yield strength and tensile strength of 550℃ tempered specimens are increased by 115 MPa and 30 MPa，and the average impact absorbed energy is enhanced by 30 J compared with that of the hot rolled specimens.Microstructure analyses present that the specimens maintain relatively good boundary strengthening and dislocation strengthening effects.Meanwhile，that quite a number of fine precipitates disperse on dislocation lines is also an important factor to improve the strength.However，under the condition of 650℃ tempering，a new kind of martensite phase occurs along the boundary of prior austenite and degenerated boundary of lath bainite，and results in deterioration of toughness.

low welding crack susceptibility steel;tempering structure;lath bainite;dislocation

TG142;TG156 文献标志码：A 文章编号：1005－0299(2011)02－0042－05

2010－03－22.

国家自然科学基金资助项目(50474015);中央高校基本科研业务费资助项目(N100607001).

兰亮云(1983－)，男，博士生;

赵德文(1946－)，男，教授，博士生导师;

杜林秀(1962－)，男，教授，博士生导师.

(编辑 吕雪梅)