卢峰１，王　超１，杜申娟２，李远远１，王昭东１，王国栋１

（１．东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁　沈阳　１１０８１９；

２．重庆长安汽车股份有限公司动力研究院，重庆　４０１１２０）

摘  要：研究了超快冷工艺参数对低合金调质高强钢的组织性能的影响规律。实验钢在轧后空冷以及快速冷却至５２０℃左右时，均得到粒状贝氏体组织，粗大的Ｍ／Ａ岛降低了冲击韧性。快冷至２１０ ℃以下时得到全部的板条马氏体组织，达到了直接淬火的目的。实验结果表明，采用在线直接淬火回火工艺时钢板的综合力学性能优于离线淬火工艺，表明超快冷条件下在线热处理技术在发展减量化高性能钢中具有优势。

关键词：超快冷；低合金高强钢；直接淬火；力学性能

工程机械、矿山机械等行业的发展对高强度焊接结构钢的力学和工艺性能提出了更高的要求［１］。屈服强度为９６０～１１００ＭＰａ级高强钢是目前制造高端工程机械产品的主要结构材料。我国许多生产企业对该等级钢的生产方式仍采用控轧控冷加离线调质热处理工艺。然而，近年来直接淬火工艺在中厚板生产中的应用逐渐增多，其不仅可使钢材的强度成倍提高，而且在低温韧性、焊接性能、抑制裂纹扩展、钢板均匀冷却以及板形控制等方面都比传统工艺优越［２］。本文设计了低合金调质高强钢的在线超快速冷却实验，研究了冷却工艺参数对其组织和性能的影响。

１实验材料及方法

实验钢的化学成分（质量百分数）：ｗ（Ｃ）＝０．１６％，ｗ（Ｓｉ）＝ ０．２０％，

ｗ（Ｍｎ）＝１．４５％，ｗ（Ｃｒ）＝ ０．５％，ｗ（Ｍｏ）＝ ０．５％，ｗ（Ａｌｓ）

＝０．０２％，ｗ（Ｂ）＝０．００１５％，ｗ（Ｐ）＝ ０．００８％，ｗ（Ｓ）＝ ０．００２％，Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ微量添加。采用１５０ｋｇ真空感应炉冶炼并浇铸成锭，锻造成截面尺寸１００ｍｍ×１００ｍｍ的长方坯。

将钢坯锯切成适合长度并在东北大学轧制技术及连轧自动化国家实验室Φ４５０ｍｍ

轧机上进行轧制和冷却实验。钢坯在箱式电阻炉中加热至１２００℃保温１ｈ，并采用两阶段控制轧制工艺。奥氏体再结晶区轧制开轧温度１０５０℃，道次压下率大于２０％，累积压下率７０％；未再结晶区轧制开轧温度为９００ ℃，经６道次轧至目标厚度１２ｍｍ，累积压下率６０％。轧后利用实验轧机配置的超快冷设备冷至不同温度，然后空冷至室温。

并将直接淬火的钢板进行回火实验，回火温度６００℃，回火时间１ｈ。对轧后空冷钢板进行离线再加热淬火，加热温度９３０ ℃，加热时间１６ｍｉｎ，然后在６００ ℃回火４０ｍｉｎ。实验冷却工艺参数如表１所示。

检测不同工艺下钢板横向（垂直轧制方向）拉伸性 能，试 样 加 工 成Φ６ ｍｍ

的 圆 棒，标 距３０ｍｍ，平行长度４２ｍｍ，在ＷＡＷ－１０００型电液伺服万能试验机上进行，拉伸速率１ｍｍ／ｍｉｎ；检测钢板纵向（沿轧制方向）Ｖ型缺口夏比冲击性能，试样尺寸１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ，在Ｉｎｓｔｒｏｎ　９２５０ＨＶ落锤冲击试验机上进行，试验温度－４０℃。

为观察钢板显微组织，于钢板纵剖面（沿轧制方向）制取试样，试样表面打磨抛光后用

４％硝酸酒精溶液腐蚀至灰暗色，采用ＬＥＩＣＡ　Ｑ５５０ＩＷ光学显微镜（ＯＭ）和ＦＥＩ　Ｑｕａｎｔａ　６００扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观察显微组织。采用双喷电解减薄

方法制取透射电子显微镜（ＴＥＭ）试样，电解液采用体积分数为９％的 高 氯 酸 酒 精 溶 液，在ＦＥＩＴｅｃｎａｉ　Ｇ２Ｆ２０型电镜上进行观察。

２结果与讨论

２．１轧态显微组织和力学性能

图１为轧制后不同冷却条件下钢板的显微组织。

轧后空冷的１＃钢板显微组织由粗大的粒状贝氏体构成，粗大的Ｍ／Ａ岛呈不规则块状分布在铁素体基体上，见图１ａ、ｂ。Ｍ／Ａ岛是在冷却相变的过程中形成的，碳原子由铁素体向未转变的奥氏体扩散，奥氏体由于碳含量增加其稳定性提高，保留至室温或转变成其他产物而形成Ｍ／Ａ岛。空冷过程中冷速慢转变时间长，碳元素的扩散程度更大，因此１＃

钢板的Ｍ／Ａ岛含量多，尺寸较大，并多呈不规则的块状。

终冷温度在５２０～５３０ ℃时，钢板的显微组织为粒状贝氏体，见图１ｃ、ｅ。在贝氏体组织中能明显辨认出原奥氏体晶界，由于两阶段控制轧制的作用，原奥氏体晶粒压扁拉长，增加了有效晶界面积细化了基体组织。２＃钢板的Ｍ／Ａ岛呈不规则粒状或块状分布在铁素体基体和原奥氏体边界，部分Ｍ／Ａ岛呈长条状，与原奥氏体边界呈约３０°～ ４５°角，见图１ｃ。３＃钢板的贝氏体组织板条特征更为明显，在贝氏体铁素体的板条间分布着细条状Ｍ／Ａ岛，而且呈粒状组织的局部区域其粒状Ｍ／Ａ岛较２＃钢也更为细小，见图１ｅ、ｆ。终冷温度为２１０℃时，可以得到板条马氏体组织，见图１ｇ、ｈ，因此４＃

钢板在实验冷却条件下达到了直接淬火的目的。

图２为４＃钢板直接淬火态的ＴＥＭ组织。由图２可知，马氏体板条宽度大部分在０．１ ～０．５μｍ，板条马氏体含有较高密度的位错，这些位错分布不均匀，形成胞状亚结构。位错密度越高，位错运动越困难，金属抵抗塑性变形的能力就越大，强化效果就越明显。图２ｂ、ｃ中可观察到较多的析出物质点，这是由于低碳钢的Ｍｓ点较高，在淬火过程中常发生碳化物（通常为渗碳体）自回火沉淀析出现象，并呈片状，其长度为几十纳米、宽度为几纳米，能够有效钉扎位错，起到析出强化作用［３］。

虽然低碳马氏体的Ｍｓ和Ｍｆ点均较高，但板条间薄膜状的残余奥氏体在低碳马氏体结构中是普遍存在的，即使其含量非常少，这些奥氏体薄膜的存在对低碳马氏体的韧性非常有利［４］。图２ｄ、ｅ、ｆ为４＃钢板组织中残余奥氏体薄膜形态和电子衍射花样。可见马氏体晶带与奥氏体的满足Ｋ－Ｓ关系，其在低温下具有很高稳定性。板条间残余奥氏体薄膜的厚度可达２０ｎｍ，并富含碳，碳含量为原奥氏体碳含量的数倍。残余奥氏体在变形过程中可缓解应力集中，减缓裂纹的扩展，提高材料的冲击韧性。

钢板在不同冷却条件下的力学性能如表２所示。１＃和２＃钢板的屈服强度最低，并且有较低的屈强比。因为其显微组织为粗大的粒状Ｍ／Ａ岛并分布于铁素体基体上，可认为这是由软硬相构成的双相组织，变形过程首先在铁素体基体发生，然后再转移到Ｍ／Ａ岛，因此呈现出较低的屈服强度和屈强比。由于粗大Ｍ／Ａ岛的存在破坏了铁素体基体的连续性，并且这种长条状和大块状的Ｍ／Ａ岛本身不具备大的塑性变形能力，容易诱发裂纹并在裂纹长大的后期断开，造成解理断裂从而使钢板韧性不佳［５］，因此低温冲击功只有１５～１７Ｊ。

对于３＃钢板，冷却速率较大，贝氏体基体及Ｍ／Ａ岛均得到细化，细化的Ｍ／Ａ岛对钢板韧性有所改善［６］，冲击功达３７Ｊ，并且由于贝氏体呈现出明显的板条特征，所以钢板屈服强度和屈强比也明显提高。４＃钢板组织全部为板条马氏体，具有最高的强度，并具有一定的塑韧性配合，表明超快冷条件下直接淬火钢板具有良好的力学性能。马氏体细小的板条宽度、高密度位错、固溶碳及细小碳化物析出等特征决定了其具有较高的强度，同时由于组织细密、固溶碳元素较少、及残余奥氏体薄膜的存在提高了板条马氏体的韧性。

２．２　ＤＱ－Ｔ与ＲＱ－Ｔ工艺下钢板力学性能对比

直接淬火回火工艺（ＤＱ－Ｔ）与再加热淬火回火工艺（ＲＱ－Ｔ）比较，省去了再加热工序，减少了能耗，提高了生产效率。两种工艺条件下钢板的力学性能也不同，见表３。

ＤＱ－Ｔ工艺采用４＃钢板在６００ ℃回火１ｈ的实验数据，ＲＱ－Ｔ工艺采用１＃钢板在９３０ ℃再加热淬火、６００ ℃回火４０ｍｉｎ的实验数据。

从表３可看出，ＤＱ－Ｔ工艺下钢板的综合力学性能优于ＲＱ－Ｔ工艺下钢板的力学性能。ＤＱ－Ｔ工艺下钢板的塑韧性比ＲＱ－Ｔ下的稍高，但屈服强度提高了１２５ ＭＰａ

，抗拉强 度提 高 了１８３ＭＰａ，相当于将该品种钢提高了一个强度等级且没有塑韧性的损失。由此可以看出，ＤＱ－Ｔ工艺在降低能耗、节约成本、提高性能上的优越性。

经过两阶段控制轧制，奥氏体晶粒已经充分细化并处于加工硬化状态，压扁的奥氏体晶粒减小了有效晶粒尺寸，有利于细化马氏体板条和板条束的长度和宽度。硬化的奥氏体中存在较高密度位错，在超快冷的马氏体相变过程中，原奥氏体中的位错得到保留，进一步增加了板条马氏体的位错密度［７］。此外，直接淬火工艺有利于使更多的微合金元素处于固溶状态，不但增加了奥氏体的淬透性，而且在回火过程中能够通过增加纳米级碳化物的析出数量而提高强化效果。这些因素都有利于提高直接淬火钢的强度。

通过上述分析，对于低碳低合金调质钢，采用超快冷条件下的直接淬火工艺能够提高钢板的综合力学性能，可以通过较低等级钢种的合金成分设计达到较高等级的性能要求，实现合金减量化生产。并且省略了再加热淬火工序，降低了能源消耗，提高了生产效率。因此，超快冷条件下在线热处理技术或直接淬火技术在发展低成本、减量化、高附加值钢种方面具有独特的优势，是先进高强钢的重要发展方向之一。

３结论

（１）实验钢在轧后空冷条件下以及以较慢的冷速冷至５２０℃时，得到粒状贝氏体组织。而提高冷速至５１ ℃／ｓ时，可促使贝氏体获得更多的板条特征，铁素体基体和Ｍ／Ａ岛都得到细化，因此强度和韧性都得到提高。

（２）实验钢以５６℃／ｓ冷却至２１０℃以下时，可全部得到板条马氏体组织，在直接淬火过程中有碳化物自回火沉淀析出的现象。并且板条间存在残余奥氏体薄膜，有利于提高马氏体的韧性。

（３）直接淬火回火工艺与离线调质工艺相比，钢板能够获得更好的综合力学性能，并且省略了再加热淬火工序，降低了能源消耗，提高了生产效率。因此，超快冷条件下在线热处理技术或直接淬火技术在发展低成本、减量化、高附加值钢种方面具有独特的优势。

参考文献：

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［３］  俞德刚．铁基马氏体时效－回火转变理论及其强韧性［Ｍ］．上海：上海交通大学出版社，２００８．２０１－２０２．

［４］  齐靖远，黎永钧，周惠久．淬火态低碳板条马氏体中的残余奥氏体、孪晶亚结构与自回火碳化物［Ｊ］．材料热处理学报，１９８４，５（１）：４２－５１．

［５］  赵琳，张旭东，陈武柱．８００ＭＰａ级低合金钢焊接热影响区韧性的研究［Ｊ］

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［６］  柴锋，杨才福，张永权，等．粒状贝氏体对超低碳含铜时效钢粗晶热影响区冲击韧性的影响［Ｊ］．钢铁研究学报，２００５，１７（１）：４２－４６．

［７］  小指军夫．控制轧制 控制冷却———改善材质的轧制技术发展［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００２．１２５．