Dynamic continuous cooling transformation curve of Q690D high strength steel
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摘要:
在热模拟试验机上对Q690D高强度钢进行不同冷却速率的热模拟试验,绘制动态连续冷却转变曲线,用光学显微镜观察该钢的显微组织,用维氏硬度计测试其维氏硬度。结果表明：当冷却速率小于0.1 ℃/s时,Q690D高强度钢的组织基本为珠光体、铁素体和少量贝氏体；当冷却速率为0.5 ℃/s时,珠光体消失,组织全部为贝氏体；当冷却速率为3 ℃/s时,组织中出现马氏体；当冷却速率增大至8 ℃/s时,贝氏体几乎全部消失,基体组织基本为马氏体；当冷却速率大于10 ℃/s时,组织全部为马氏体,得到马氏体临界转变冷却速率为10 ℃/s。
Abstract:The thermal simulation test of Q690D high strength steel with different cooling rates was carried out on the thermal simulation testing machine, and the dynamic continuous cooling transformation curve was drawn. The microstructure of the steel was observed by microscope, and the Vickers hardness was tested by Vickers hardness tester. The results show that when the cooling rate was less than 0.1 ℃/s, the microstructure of Q690D high strength steel was basically pearlite, ferrite and a small amount of bainite. When the cooling rate was 0.5 ℃/s, the pearlite disappeared and the microstructure was all bainite. When the cooling rate was 3 ℃/s, martensite appeared in the microstructure. When the cooling rate increased to 8 ℃/s, the bainite almost disappeared, and the matrix structure was basically martensite. When the cooling rate was greater than 10 ℃/s, the microstructure was all martensite, and the critical transformation cooling rate of martensite was 10 ℃/s.
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低合金高强度钢的综合性能优于传统碳锰钢,近年来已成为钢铁领域的研究热点之一。在实际生产中,690 MPa级高强度钢的工艺控制难度较大,特别较难控制其低温韧性的稳定性,影响该性能最重要的因素是材料的显微组织。为了控制成本,根据该钢种的规格、客户要求等采取热机械控制工艺(TMCP)、在线淬火＋回火、离线淬火＋回火等不同工艺,对其连续冷却转变(CCT)规律进行研究,以确保产品性能稳定,CCT曲线是进行该研究的重要依据[1]。对各类金属材料CCT曲线研究已有大量的报道,如：刘莹等[2]研究了45钢的热模拟试验；周光理等[3]分析了42CrMo合金钢棒材的硬度及显微组织；王瑞敏等[4]研究了R350HT钢轨钢的CCT曲线；李凯等[5]分析了42CrMo钢的CCT曲线；陈明毅等[6]研究了一种高强无碳贝氏体非调质钢的过冷奥氏体动态CCT曲线；葛琛等[7]分析了900 MPa级高强钢的连续冷却转变及组织调控；周文浩[8]对Q690钢的3种奥氏体状态下的连续冷却转变行为进行了比较研究；李敬等[9]研究了厚规格690高强钢板的连续冷却转变行为。笔者利用热模拟试验机、维氏硬度计、光学显微镜等对Q690D高强度钢的动态CCT曲线进行了研究[10－11]。
1. 试验材料及方法
试验用材料为Q690D钢板,其化学成分如表1所示。按照CCT要求制备试样,试样结构如图1所示。在热模拟试验机上对试样进行动态CCT试验。以10 ℃/s的升温速率将试样加热到1 200 ℃,保温3 min,接着以5 ℃/s的冷却速率将试样冷却至910 ℃,保温30 s；然后以6 s－1的应变速率进行20%的单道次压缩,最后分别在0.01,0.02,0.05,0.1,0.25,0.5,1,2,5,8,10,15,20,30,40 ℃/s等冷却速率下将试样冷却到室温[12－14]。在试验过程中,检测并记录试验过程中试样的直径变化。试验结束后,用Origin软件和切线法测定其相变点。在加热过程中,用上述方法测得试样组织向奥氏体转变的开始温度Ac1为780 ℃,奥氏体转变的终了温度Ac3为885 ℃[15]。对热模拟试验后不同冷却速率下的试样进行机械加工和镶嵌,对试样研磨抛光后,使用 4%(体积分数)的硝酸乙醇溶液对试样进行腐蚀[16－17]。使用德国蔡司光学显微镜观察试样的显微组织,结合德国全自动维氏硬度计测量硬度,绘制出材料的动态CCT曲线。
Table 1. 试验用Q690D钢板的化学成分项目 质量分数 C Si Mn P S Cr＋Mo Nb＋Ti 实测值 0.15 0.22 1.40 0.02 0.007 0.61 0.044 2. 试验结果及分析
2.1 不同冷却速率下试样的显微组织
不同冷却速率下试样的显微组织形貌如图2所示。由图2可知：当冷却速率为0.01 ℃/s时,组织基本为典型的珠光体＋铁素体,但是仍有小部分区域存在珠光体和贝氏体的混合组织；随着冷却速率的增大,珠光体含量越来越少,贝氏体含量越来越多；当冷却速率为0.1 ℃/s时,仅存在少量珠光体；当冷却速率达到0.5 ℃/s时,全部为贝氏体；当冷却速率为3 ℃/s时,开始出现少量的马氏体,随着冷却速率的进一步增大,马氏体含量逐渐增多；当冷却速率达到8 ℃/s时,贝氏体几乎消失,整个基体组织基本为马氏体；当冷却速率增大到10 ℃/s以上时,组织全部为马氏体。
2.2 不同冷却速率下试样的维氏硬度
图3为不同冷却速率下试样的维氏硬度曲线。由图3可知：当冷却速率小于0.1 ℃/s时,组织以珠光体和铁素体为主,试样的维氏硬度较低,为171～250 HV；当冷却速率为3 ℃/s时,维氏硬度为290 HV,组织基本为贝氏体；当冷却速率为8 ℃/s时,马氏体使试样的维氏硬度升高至378 HV；当冷却速率大于10 ℃/s时,组织全部为马氏体,维氏硬度均大于396 HV。
2.3 奥氏体化过程CCT曲线
将试样的温度以10 ℃/s的升温速率从室温加热到1 200 ℃,在此过程中,试样在经过Ac1点(780 ℃)并出现相变平台后开始奥氏体化,随后达到Ac3点(885 ℃),之后进入完全奥氏体化状态,至此加热过程的相变点结束,试样的奥氏体化过程曲线如图4所示。
试样经过降温以及形变后,再对其冷却速率进行控制,得到不同冷却速率下的连续冷却转变曲线。图5为试样在0.01～20 ℃/s冷却速率下的热膨胀曲线。由图5可知：当冷却速率小于0.1 ℃/s时,在出现明显高温相变拐点前,曲线出现弯曲部分,用切线法取点,对显微组织进行综合判断,该相变温度应为先共析铁素体的相变开始点；当冷却速率为0.01,0.02 ℃/s时,珠光体、铁素体相变开始点基本为770 ℃,随着冷却速率的逐步增大,相变点呈下降趋势,当冷却速率达到0.1 ℃/s时,相变点下降到711 ℃。由于Mn、Cr元素含量较高,该钢种的淬透性升高,因此该冷却阶段仍然存在中温相变,即贝氏体相变。由冷却速率为0.01,0.02 ℃/s时的曲线可知,高温相变区的结束点与中温相变区的开始点相对明显分离,而冷却速率为0.05,0.1 ℃/s时,上述两个相变点分界线已经不明显,很难区分。随着冷却速率的增大,贝氏体相变结束点逐步降低,由0.01 ℃/s时的430 ℃下降到0.1 ℃/s时的380 ℃。当冷却速率增大到0.5 ℃/s时,高温相变拐点消失,全部为中温相变,即全是贝氏体相变,此时贝氏体相变开始温度为615 ℃,终止温度为415 ℃,相对较高。当冷却速率增大到3 ℃/s时,贝氏体的开始相变温度下降到588 ℃,结束温度下降到390 ℃,在该冷却速率下,根据得到的显微组织综合判断,该相变终了温度应为Mf点。从冷却速率为8 ℃/s开始,全部为马氏体相变,相变开始温度约为450 ℃,结束温度约为307 ℃。
2.4 动态CCT曲线的绘制
结合显微组织以及不同冷却速率下的热膨胀曲线,最终得出Q690D钢的动态CCT曲线,如图6所示[18]。由图6可知：冷却速率低于0.1 ℃/s时,发生了先共析铁素体析出的相变现象,但是即使冷却速率低到0.01 ℃/s,该相变过程也是高温相变与中温相变的复合,包含了先共析铁素体相变、珠光体相变以及贝氏体相变3个过程,得到的组织为铁素体、珠光体以及贝氏体；同时,在冷却速率为0.02～0.25 ℃/s时,珠光体相变与贝氏体相变在膨胀曲线中没有明显界线；在冷却速率为0.25～2 ℃/s时,发生贝氏体中温转变,得到的是单一的贝氏体；在冷却速率为2 ℃/s时,随着冷却速率的增大,开始发生贝氏体中温转变与马氏体低温转变的复合相变,此时得到的显微组织为贝氏体与马氏体的混合组织；当冷却速率达到8 ℃/s时,该现象消失,开始发生
马氏体低温转变的单一现象,材料组织也只有单一的马氏体。
3. 结论
(1) 在冷却速率为0.01～ 0.1 ℃/s时,组织基本为珠光体、铁素体和贝氏体,其硬度较低。
(2) 当冷却速率为0.5 ℃/s时,珠光体消失,全部为贝氏体。
(3) 当冷却速率为 3 ℃/s 时,组织中出现马氏体,当冷却速率增大至8 ℃/s时,贝氏体几乎全部消失,组织基本为马氏体,维氏硬度提高到378 HV。
(4) 当冷却速率大于10 ℃/s时,组织为单一马氏体,马氏体临界转变冷却速率为10 ℃/s。
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