轧制加热温度对高强度低合金钢组织及冲击性能的影响

陈 刚， 罗小兵， 柴 锋， 杨才福， 张正延， 杨 丽

(1. 钢铁研究总院有限公司 工程用钢研究院, 北京 100081；2. 清华大学 材料科学与工程学院， 北京 100084)

高强度低合金(HSLA)钢采用降C加Cu的成分设计，以其优良的强韧性和焊接性能，广泛应用于造船、管线和采油平台等领域[1-4]。近些年为保障海洋资源的开发，船体结构用钢朝着高速化、大型化的方向发展。由于特殊的极地服役环境，对船体结构用钢的强韧性提出了更高的要求。而对于以Cu沉淀强化钢为代表的船体结构钢，针对其强度升级和强韧化机理的研究一直是该领域的研究热点[5-6]。HSLA钢采用超低C的成分设计，虽然降低了碳当量，改善了钢板的焊接性能，但是C和部分其他合金元素含量的降低对钢的淬透性造成了较大的影响。同时海洋工程的开发需要用到更多大厚规格的钢板，而厚板的生产过程中由于轧制不同位置处的变形量不同、淬火冷速的不同等都会显著影响其显微组织，从而造成性能的不均匀性，导致韧性控制问题比强度更为突出[7-9]。

钢的轧制工艺是影响钢板性能的关键工序，其决定了钢板的变形过程，从而影响了钢板的表面和心部变形程度的差异，最终会对钢板的性能产生影响。一般情况下，较低的轧制加热温度有利于细化钢的原始奥氏体晶粒尺寸。然而奥氏体晶粒尺寸的大小同时又会影响轧制过程中的相变过程。对于HSLA钢，相变后的组织类型、大角度晶界密度、板条宽度、残留奥氏体含量和M/A岛形态及分布均会影响钢的韧性[10-11]。本文利用扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)及透射电镜(TEM)研究了不同轧制加热温度条件下HSLA钢的相变组织和板条亚结构的变化规律，探究其与低温韧性的关系。通过统计不同轧制加热温度条件下试验钢的原始奥氏体晶粒尺寸、M/A岛的尺寸分布及大小角度晶界密度的变化趋势，分析了不同轧制加热温度下HSLA钢中相变组织及亚结构对韧性的协同影响机制。

1 试验材料及方法

HSLA试验钢化学成分(质量分数，%)为0.05C、0.67Mn、0.21Si、2.01Ni、1.36Cu、0.027Nb、0.014Ti，以及适量的Cr和Mo，余量Fe。从工业铸坯取样，然后对铸坯进行不同温度(1000～1250 ℃)加热，采用相同的道次及变形量进行轧制。然后对不同加热温度轧制条件下的热轧板测试-40 ℃的Charpy冲击吸收能量。在不同轧制加热温度下的热轧板上截取试样，经研磨抛光后采用4%硝酸酒精溶液浸蚀，在S-4300场发射扫描电镜(SEM)下观察显微组织。将从冲击试样上切割的试样电解抛光后，进行电子背散射衍射(EBSD)分析，加速电压20 kV，工作距离17.6 mm，倾转角70°，扫描步长0.2 μm，试验数据用CHANNEL-5软件包进行分析处理。用H-800透射电镜对试样的板条形貌及M/A 岛形态进行观察。

2 试验结果与分析

HSLA钢-40 ℃的Charpy冲击吸收能量与轧制加热温度的关系如图1所示。可见，随着轧制加热温度的提高，冲击性能呈现降低的趋势。当加热温度从1000 ℃升高到1150 ℃时，冲击吸收能量缓慢降低，当轧制加热温度高于1150 ℃时，冲击吸收能量呈现急剧下降的趋势。

图1 试验HSLA钢-40 ℃冲击吸收能量与轧制加热温度的关系Fig.1 Relationship between impact absorbed energy at -40 ℃ and rolling heating temperature of the tested HSLA steel

HSLA钢在1000～1250 ℃加热条件下的原始奥氏体晶粒如图2所示。由图2可知，加热温度越高，试验钢的晶粒尺寸越大，奥氏体晶粒发生了明显的长大过程。在这个过程中，晶界由弯曲态逐渐趋于平直态，晶粒的形状和尺寸也逐渐趋于稳定。

不同加热温度下选取5张显微组织照片，对试验钢的奥氏体平均晶粒尺寸进行统计和对比，结果如图3 所示。在相同的保温时间下，当加热温度由1000 ℃升高至1250 ℃时，奥氏体平均晶粒尺寸由8.1 μm增加到了36.4 μm，晶粒尺寸随温度的变化呈近似指数型增长规律。可以看出，在1000～1100 ℃温度范围内，加热温度较低，晶粒长大较缓慢，晶粒尺寸仅增加4.6 μm。随着加热温度的升高，在1150 ℃时，奥氏体长大速度逐渐增大，平均晶粒尺寸达到17.6 μm。当温度超过1150 ℃时，晶粒呈现急剧长大的趋势，从17.6 μm增加到36.4 μm。

HSLA钢采用相同的轧制工艺，经不同加热温度轧制后的显微组织如图4所示。热轧后的试验钢主要有少量的准多边形铁素体及粒状贝氏体构成，其中可以清晰地看到粗大的粒状M/A岛。随着轧制加热温度的升高，M/A岛的尺寸呈现增大的趋势。当加热温度从1000 ℃升高到1150 ℃，M/A岛呈粒状，趋于弥散分布。当加热温度进一步升高至1200 ℃及1250 ℃时，M/A岛尺寸明显增大，为2.6～3.4 μm。

图4 不同轧制加热温度下试验HSLA钢的SEM图像Fig.4 SEM images of the tested HSLA steel at different rolling heating temperatures(a) 1000 ℃; (b) 1050 ℃; (c) 1100 ℃; (d) 1150 ℃; (e) 1200 ℃; (f) 1250 ℃

对不同轧制条件下的试验钢进行TEM观察，如图5所示，可见随着轧制温度的升高，试验钢板条宽度增加，同时在试验钢基体中可以观察到多边形的M/A岛分布。关于M/A岛对性能的影响已有较多研究[12-15]，由于较高的硬度，M/A岛易成为裂纹形核源[12]，且它们在相变后期生成，因此，也易于在相邻基体内造成显著的应力集中，从而诱发裂纹[12-13]，对冲击性能有害；目前的普遍观点认为，相较于粗大的M/A岛，细小弥散的M/A岛对于冲击性能损害更少[14-15]。单纯从M/A 岛形态的角度考虑，可以定性解释随着轧制加热温度的升高，试验钢低温韧性降低的现象。M/A岛并非影响冲击性能的唯一因素，除了M/A岛之外，已经证明大角晶界能够有效阻挡、偏折解理裂纹，阻碍裂纹扩展，从而提高冲击性能[16-17]，大角度晶界(HAB)密度被认为是另一个影响冲击性能的指标[18]，在大角度晶界的分割下，晶界两侧晶粒内脆性裂纹通常沿{100}解理面扩展，它们之间具有较大取向差，裂纹不易通过大角度晶界从一个晶粒扩展到另一个晶粒，大角度晶界对材料的冲击性能具有重要影响，并已被证实[19]。通常认为取向差大于15°的晶界为大角度晶界，在对不同角度晶界对裂纹扩展阻碍能力的研究中，Sarikaya等[16]发现能够有效阻碍裂纹的大角度晶界为有效大角度晶界，或有效晶粒边界。图6为HSLA钢在不同轧制加热温度条件下的EBSD分析，图7为大小角度晶界密度的分布情况。可以看出随着轧制加热温度的升高，有效晶粒尺寸增加，大角度晶界密度明显降低。

图5 不同轧制加热温度下试验HSLA钢的TEM图像Fig.5 TEM images of the tested HSLA steel at different rolling heating temperatures(a,d) 1000 ℃; (b,e) 1100 ℃; (c,f) 1250 ℃

图6 不同轧制加热温度下试验HSLA钢的EBSD图像Fig.6 EBSD images of the tested HSLA steel at different rolling heating temperatures(a) 1000 ℃; (b) 1050 ℃; (c) 1100 ℃; (d) 1150 ℃; (e) 1200 ℃; (f) 1250 ℃

图7 不同轧制加热温度下试验HSLA钢中晶界分布Fig.7 Grain boundary distribution of the tested HSLA steel at different rolling heating temperatures

大角度晶界有效阻止裂纹扩展，有利于提高材料韧性[17]。选取1100 ℃轧制加热条件下试验钢的冲击断口，镀镍后进行EBSD分析，如图8所示。可以明显看到裂纹扩展到大角度的板条束界或者板条块界时，裂纹扩展被板条界抑制或者产生偏折，这表明板条束界可以有效阻碍解理裂纹的扩展。板条束界均为大角度界面，从EBSD分析结果可以看出，随着板坯加热温度的降低，大角度晶界密度升高，因此在断裂过程中更好地抑制裂纹的扩展，从而吸收更高的能量，获得良好的冲击性能。

图8 试验HSLA钢冲击试样裂纹扩展形貌(轧制加热温度1100 ℃)Fig.8 Crack propagation morphologies of the tested HSLA steel impact specimen (rolling heating temperature is 1100 ℃)

综合考虑大角度晶界以及M/A岛的微结构变化，可以较好地理解冲击性能的变化：当板坯加热温度在1000～1150 ℃范围内，随着加热温度的升高，M/A岛尺寸虽略有增加，但相变后生成的大角度晶界密度较高，同时M/A岛趋于均匀分布，尺寸较小，冲击性能较好；当板坯加热温度升高到1150 ℃时，M/A岛尺寸明显增大，同时大角度晶界密度降低，导致冲击性能急剧恶化。因此在实际生产中虽然板坯低温轧制能大幅度节能，降低生产成本，但是为了保证良好的冲击性能，同时考虑轧机安全扭矩，轧制温度不宜过高，建议选择1100～1150 ℃比较适宜。

3 结论

1) HSLA钢冲击性能与轧制加热温度相关，加热温度从1000 ℃升高到1150 ℃，冲击吸收能量开始降低，-40 ℃冲击吸收能量均在100 J以上。当加热温度超过1150 ℃，冲击吸收能量急剧下降。

2) 随着轧制加热温度的升高，HSLA钢的组织中细小弥散分布的颗粒状M/A岛逐渐粗化；当轧制加热温度超过1150 ℃时，M/A岛尺寸出现明显粗化。同时HSLA钢中大角度晶界密度呈现降低的趋势。

3) M/A岛尺寸粗化及大角度晶界密度降低的综合作用导致HSLA钢低温冲击性能随轧制加热温度的升高而降低。