Q460F低合金高强度钢的热处理工艺及力学性能和显微组织

雷晓荣 闫强军 李平和

(南京钢铁股份有限公司 板材事业部，江苏 南京 210035)

Q460F钢属于低合金结构钢，具有较高的强度以及良好的抗疲劳性能、低温韧性、冷成形性能和焊接性能，主要用于低温下使用的工程机械结构件，如极地低温环境项目要求钢材具有良好的-60 ℃冲击韧性[1- 3]。普通Q460级高强钢可通过控轧- 控冷工艺达到性能要求，但Q460F低温钢必须进行调质处理才能获得良好的低温冲击韧性，因此研究Q460F钢的热处理工艺、显微组织和力学性能具有重要意义。

1 试验材料与方法

试验用钢为国内某钢厂用150 mm厚连铸坯轧制的6～30 mm厚热轧Q460F钢板，其化学成分如表1所示，碳当量为0.39。

表1 试验用Q460F钢的化学成分(质量分数)

采用经验公式计算得出钢的Ac3为892.7 ℃，Ac1为724 ℃。调质处理工艺为：910 ℃保温15～25 min水淬；回火分别在实验室炉和工业炉中进行，温度为650、660和670 ℃ 。

将调质处理后的钢板加工成25 mm宽的横向拉伸试样和10 mm×10 mm×55 mm的纵向标准冲击试样,以及10 mm×5 mm×55 mm的小尺寸冲击试样(6 mm厚钢板)，分别按GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》和GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行拉伸试验和-60 ℃冲击试验。检测650和670 ℃回火钢板的显微组织，金相试样采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀。

从工业炉回火的钢板1/4宽度处切取并加工25 mm宽的全厚度横向拉伸试样，平行于轧向切取10 mm×10 mm×55 mm的纵向标准冲击试样，6 mm钢板的冲击试样尺寸为5 mm×10 mm×55 mm，按上述同样的方法进行拉伸和冲击试验。

2 试验结果与讨论

2.1 淬火和实验室炉回火的钢板的力学性能

910 ℃水淬后在实验室炉中650、660和670 ℃回火的钢板的力学性能如表1和图1所示。可以看出，随着回火温度的升高，钢板的屈服强度、抗拉强度急剧下降，断后伸长率急剧升高，670 ℃回火的钢板屈服强度、抗拉强度均偏低，不满足GB/T 16270—2009的要求。对于6 mm厚钢板，随着回火温度的升高，其-60 ℃冲击韧性逐渐提高，但660 ℃回火的钢板抗拉强度偏高，因此工业炉回火的温度可设定为665 ℃；对于30 mm厚的钢板，随着回火温度的升高，其-60 ℃冲击韧性降低，650 ℃回火后抗拉强度偏高，因此在工业炉回火的温度可设定为655 ℃。

表1 6和30 mm厚Q460F钢板910 ℃淬火后在实验室炉中不同温度回火后的力学性能

图1 实验室炉回火的 6(a)和30 mm(b)厚Q460F钢板的力学性能随回火温度的变化

2.2 淬火和工业炉回火的钢板力学性能

根据实验室炉回火的钢板的力学性能，将在工业炉中回火的6 mm厚Q460F钢板的回火温度设定为(665±5) ℃，而将12～30 mm厚钢板的回火温度设定为(655±5) ℃，回火后钢板的力学性能如表2所示。可以看出，6和12～30 mm厚钢板的力学性能均满足标准要求，且-60 ℃冲击吸收能量达100 J以上。

表2 不同厚度Q460F钢板在工业炉中不同温度回火后的力学性能

2.3 显微组织

6和30 mm厚钢板910 ℃淬火后的显微组织如图2所示，为回火索氏体和贝氏体。6 mm厚钢板665和670 ℃回火后以及30 mm厚钢板655和670 ℃回火后的显微组织分别如图3所示,为板条马氏体和板条贝氏体的混合组织。

图2 6(a)和30 mm(b)厚Q460F钢板910 ℃水淬后的显微组织

由图3(a,b)可知：6 mm厚钢板665 ℃回火后部分马氏体板条分解成索氏体，板条贝氏体比较清晰；670 ℃回火后更多的马氏体和贝氏体分解，形成准多边形铁素体，因此强度较低，韧性较好。由图3(c,d)可知：30 mm厚钢板655 ℃回火后，板条贝氏体比较清晰；而670 ℃回火后，大部分马氏体、贝氏体分解，且有大量碳化物析出，因此强度较低，-60 ℃冲击韧性偏低。

图3 6 mm厚钢板665(a)和670 ℃(b)回火及30 mm厚钢板655(c)和670 ℃(d)回火后的显微组织

2.4 分析与讨论

试验钢不含对淬透性影响特别显著的硼和铬等元素，因此淬火后的组织为板条马氏体和板条贝氏体混合组织，回火索氏体是板条马氏体在高温回火时形成的，其位向各异、互相交错，具有很高的位错密度，因此钢板具有较高的强韧性[4- 6]。随着回火温度的升高，淬火马氏体、贝氏体分解，逐渐形成准多边形铁素体，并析出碳化物[7- 8]。对于6 mm厚钢板，由于轧制过程中的压缩比较大，轧制变形后储存能较高，回火时相变驱动力较大，当回火温度达到670 ℃时，大部分板条结构多边形化，原细小的板条结构转变为准多边形铁素体，因此钢板强度较低，低温韧性较好；对于30 mm厚钢板，由于轧制过程中的压缩比较小，轧制变形后储存能较低，回火时相变驱动力较小，因此670 ℃回火的钢板板条结构未形成准多边形铁素体，只是由多取向的板条结构转变为单取向的块状结构，并有大量碳化物析出。由于单取向的块状结构相对于655 ℃回火形成的多取向板条结构，断裂单元较大，断裂过程中裂纹易扩展，因此随着回火温度的升高，钢板低温冲击韧性降低。

因此对于Q460F钢，要获得良好的强韧性，必须保留一定量的多取向板条结构，板条结构越多，屈服强度、抗拉强度越高，且具有较好的低温韧性。

3 结论

(1)910 ℃水淬后，6 mm厚Q460F钢板665 ℃回火，12～30 mm厚钢板655 ℃回火，均可获得良好的拉伸性能和冲击性能，-60 ℃冲击吸收能量达到了90 J以上。

(2)910 ℃水淬的6～30 mm厚Q460F钢板670 ℃回火后，屈服强度和抗拉强度迅速降低，断后伸长率提高。

(3)在655～670 ℃回火，随着回火温度的升高，淬火马氏体和贝氏体分解和多边形化，并析出较多的碳化物，导致钢的强度显著降低，低温冲击韧性下降，当出现多边形铁素体后，钢的低温韧性又有所提高。