RPC对800MPa级低合金高强度钢的影响

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2002.02.009 第24卷第2期 北京科技大学学报 Vol.24 No.2 2002年4月 Journal of University of Science and Tecbnology Beijing Apr.2002 RPC对800MPa级低合金高强度钢的影响 尚成嘉》杨善武》王学敏”贺信莱)刘振清)陈庆平) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)武汉钢铁集团公司技术中心，武汉430080 摘要利用一种特殊的机械热处理工艺技术，即在控轧终轧后经过一段控制时间与温度的 弛豫，使得基体中出现应变诱导析出以及变形奥氏体中缺陷组态重组，在随后的直接淬火或加 速冷却过程中，获得细化的板条贝氏体/马氏体组织.利用该弛豫一析出一控制相变(RPC)技 术能得到屈服强度大于800MPa级12mm厚超细贝氏体/马氏体复合组织微合金钢板. 关键字低合金高强度钢；机械热处理；弛豫一析出一控制相变技术(RP℃：组织与性能 分类号TG113.25 新发展的TMCP-RPC技术I,是通过适当 加热温度1200℃ 的微合金设计，经过再结晶和非再结晶温度区 再结品，>60% 两阶段控轧，终轧后经过一段控制温度与时间 的弛豫过程，使钢中微合金元素析出及变形组 非再结晶，>60% 织回复，可实现控制加速冷却时中温转变产物 弛豫时间20s;40s 的类型与形态，得到超细贝氏体/马氏体复合组 火 织，从而提高钢的强韧性.利用该工艺技术可比 相同成分调质处理钢的强度提高25%~30% 水淬水淬油淬空冷 t/s 1试验过程 图1TMCP-RPC工艺示意图 试验钢的成分如表1所示，该系列微合金 Fig.1 Scheme of special TMCP-RPC process 钢采用Nb,Ti,B等作为微合金元素.考虑焊接性 表2弛豫与淬火加速冷却程序 能要求，碳含量一般为0.05%左右.冶炼在真空 Table 2 Relaxing and quenching(accelerated cooling) 感应炉进行，S,P及其他气体成分得到控制 schedule TMCP-RPC工艺的示意图如图1和表2所示. 样品 t终凯/℃ T倦康/S 弊*/℃冷却介质 W11 850 0 850 钢锭经锻造成板坯后加热到1200℃均匀化1.5 水 W12 850 40 730 山，经过再结晶温度区和非再结晶温度区两阶段 W13 850 20 780 水 控轧，轧成12mm厚钢板.终轧后弛豫数十秒， K01-3 850 50 730 水 然后以不同冷却速度加速冷却. K01-4 850 50 730 油 表1实验钢板成分（质量分数） Table 1 Composition of plate steels(mass fraction) % 试样 C Si Mn P S Cu Ni Mo Nb Ti B Als w110.0370.33 1.370.0080.00520.2900.240.25 0.049 0.043 0.0009 W120.0430.331.530.006 0.00510.2900.24 0.25 0.050 0.048 0.0009 W13 0.321.560.008 0.2950.26 0.25 0.053 0.042 0.0015 K01 0.08 1.48 0.420.23 0.26 0.056 0.01 0.0013 收稿日期20010604尚成嘉男，38岁，副教授 *国家973”项目资助课题No.G1998061507)

第 2 4 卷 第 2 期 2 00 2 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f Un vi e r s ity o f S c ci o e e a n d Te e h n o l o gy B e ji ni g Vb l . 2 4 N o . 2 AP r. 2 002 R P C 对 8 0 M P a 级低合金高强度钢的影响 尚成嘉 ` , 杨善武 ” 王 学敏 ” 贺信莱 ” 刘振清 2 , 陈庆平 ” l) 北京科技大学材料科学 与工程学院 , 北京 1 0 0 0 83 2) 武汉钢铁(集团 )公司技术中心 , 武汉 4 3 0 0 80 摘 要 利用一 种特殊的机械 热处理 工艺 技术 , 即在控轧 终轧后 经过一 段控制 时 间与温度 的 弛豫 , 使得 基体中出现应变诱导析 出以及变形 奥 氏体中缺陷组 态重组 , 在 随后 的直接淬火 或加 速冷却过程 中 , 获得 细化 的板条 贝 氏体 /马 氏体组织 . 利用 该弛豫一析 出一控 制相变 (RP )C 技 术能得 到屈服 强度大 于 80 M aP 级 12 m m 厚 超细 贝 氏体 /马 氏体复合组 织微合金钢 板 . 关键字 低合金高强 度钢 ; 机械热 处理 ; 弛豫一析出一控制相 变技术 (RP )C ; 组 织与 性能 分类 号 T G 1 1 3 2 5 新发展 的 T M C P- R PC 技术 `l] , 是通过适 当 的微合金设计 , 经过再结 晶和非再结 晶温度 区 两阶段控轧 , 终轧后经过一段控制温度与 时间 的弛豫过程 , 使钢 中微合金元素析 出及变形组 织 回复 , 可 实现控制加速冷却时 中温转变 产物 的类 型 与形态 , 得到超 细贝氏体 /马氏 体复合组 织 , 从而 提高钢 的强韧性 . 利用该工艺技术可比 相同成分调质处理钢的强度提高 25 % 一3 0%[ .z] 加热温度 1 2 0 0 oC 1 试验过程 试验 钢的成分如 表 1 所示 , 该 系列微合金 钢采用Nb , iT ,B 等作为微合金元 素 . 考虑焊接性 能要求 , 碳含量一般为 .0 05 % 左 右 . 冶炼在 真空 感应炉进行 , S , P 及其他气体成分 得到控制 . T M C P - RP C 工艺的示意 图如 图 1 和表 2 所示 . 钢锭经锻造成板坯后加热到 1 2 0 ℃ 均匀化 1 . 5 h , 经过再结晶温度区和 非再结 晶温度 区两阶段 控轧 , 轧成 12 ~ 厚钢板 . 终 轧后 弛豫数十秒 , 然后 以不 同冷却速度加速冷却 . \ 份 图 I T M C p - r R / p S C 止 工艺 示意 图 F ig . l S e h e m e o f s P e e 认I T M C P 一 R P C P or e e , s 表 2 弛 稼与 淬火加 速冷 却程序 aT b le 2 eR l a 劝 n g a n d q u e n e血in g ( a e e e卜 ar t e d e o o li n g ) S C h e d U l e 样品 从轧 / ℃ 、 创 s 场火 / ℃ 冷却介质 水油 ù “0n0n ō ù 、 八一了ō月O了,了à气一à内」jX、 O 402050 Cn ù1 ǎ1 ó ù 、 ùó、 ō、 八民ùO à一à. 入C W RR 1 1 W 1 2 W 1 3 K o l 一 3 K o l 一 4 表 1 实验钢板 成分 (质一 分数 ) aT b le 1 C o m P o s i t i o n o f Pl a et s et e ls (m a s s fr a e “ o n ) 试样 C 5 1 M l l P 5 C u N i M o Nb iT B A l s W l l 0 . 0 3 7 0 . 33 1 . 3 7 0 . 0 0 8 0 . 00 5 2 0 . 2 9 0 0 . 2 4 0 . 2 5 0 . 0 4 9 0 . 0 4 3 0 . 0 0 0 9 一 W 12 0 . 04 3 0 . 3 3 1 . 5 3 0 . 0 0 6 0 . 0 0 5 1 0 . 2 9 0 0 . 2 4 0 . 2 5 0 . 05 0 0 . 04 8 0 . 00 09 一 W 1 3 一 0 . 32 1 . 5 6 0 . 0 0 8 一 0 . 2 9 5 0 . 2 6 0 . 2 5 0 . 0 5 3 0 . 0 4 2 0 . 0 0 1 5 一 K o l 0 . 0 8 一 1 . 4 8 一 一 0 . 4 2 0 . 2 3 0 . 2 6 0 . 0 5 6 0 . 0 1 0 . 0 0 13 一 收稿 日期 2 0 01 一 6刁 4 尚成嘉 男 , 38 岁 , 副教授 * 国家 , 7 3 , ’ 项 目资助课题(N o G 19 9 8 0 6 15 0 7 ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 02. 009

·130。 北京科技大学学报 2002年第2期 试验钢经过在500~700℃不同时间回火处 理后测量其力学性能及观察组织结构.拉伸试 验采用圆试样，冲击试样为标准尺寸，冲击试验 温度分别为室温(21℃)，-20℃，-40℃.利用表 面维氏硬度仪测量硬度值变化.组织形貌通过 金相显微镜观察. 2试验结果 10m (a)直接淬火（不弛豫） b)弛豫20s 21弛豫时间对组织的影响 已有研究表明，微合金钢中(Nb,Ti)(C,N, B)会在950℃以下变形过程析出，从而起到抑 制再结晶作用.在非再结晶温度区的大变形轧 制，使变形奥氏体成为扁饼状，变形奥氏体内部 除析出物外还积累大量变形带及高密度位错. 在850℃或900℃终轧后弛豫一段时间，应变诱 导能使微合金元素进一步析出，同时，变形奥氏 10 um 体内的缺陷在弛豫阶段将回复并重新组合，在 (c)弛豫40s (d加热淬火后 弛豫后的加速冷却相变过程中，弛豫析出相及 图2不同轧态的金相组织 变形奥氏体中的缺陷结构将会影响中温相变产 Fig.2 Microstructure of as-rolled steel plate after relaxing 物的组织和位错密度等.本实验中，对3炉钢 and microstructure of reheated and quenching steel W11,W12,W13采用相同的控轧工艺后，分别 采取：(a)W11不弛豫，弛豫时间0s,850℃终轧后 氏体晶粒.对比不同工艺表明，弛豫20s的钢板 直接水淬；(b)W13弛豫20s,淬火温度780℃；(c) 其束结构最清晰、尺寸最小；b)弛豫时间不同得 W12弛豫40s,淬火温度730℃3种不同工艺.图 到不同形态的贝氏体组织，终轧后不弛豫直接 2(a),(b),(C)为3种弛豫条件下的轧态金相组织. 淬火得到粒状贝氏体和较宽的不规则板条贝氏 由图可见，当钢板终轧后不弛豫，而直接淬火， 体；弛豫20s后再加速冷却组织为清晰且很细 其金相组织为压扁的原奥氏体晶粒内形成粒状 的板条，板条束相互交叉且分割原始奥氏体；弛 贝氏体团及少量板条贝氏体，但这时板条形状 豫时间为40s时，板条又有所变宽 并不明显，不规则的板条较宽，宽度大约为45 另外，实验还观察了W11钢经重新加热淬 um(图2(a)所示).图2b),(c)为终轧后弛豫20s 火试样，如图2(d)所示，加热到950℃后再淬火， 和40s后再直接淬火钢板的金相组织.可见，经 其金相组织为粒状贝氏体及少量板条组织，压 过一段时间的弛豫所得到的主要为为成束的板 扁的变形组织已完全消失.可见利用TMCP工 条组织，并且在每个压扁的原奥氏体晶粒内，不 艺可得到压扁的变形组织，同时通过RPC技术 同方向的板条束将原奥氏体晶粒分割成几块， 可进一步使组织细化，得到超细中温转变产物. 束尺寸在5~10m,束内板条宽度以弛豫20s(图 束结构尺寸为5~10um,板条宽度1-2m 2b)最细（约1μm)且短.同一束中板条虽然基 2.2RPC工艺对力学性能的影响 本沿同一方向排列，但板条之间并不是完全平 图3为经过不同弛豫时间的3种钢，分别 行.TEM研究表明，金相照片所显示的板条其 经600-700℃回火1h后屈服强度和抗拉强度. 实是由0.3m左右宽的更细的亚板条组成.每 可见，弛豫一段时间再淬火的试样较轧后直接 个板中条大约由3~4个亚板条组成.随着弛豫 淬火的试样强度均有所提高.W11为轧后未弛 时间的不同，淬火（加速冷却后）的金相组织在 豫直接淬火钢，经600~700℃回火1h后无论抗 两个层次上有所区别：(a)弛豫时间不同，中温转 拉和屈服强度均低于800MPa,而经过RPC工 变所形成的束大小不同，他们分割变形原始奥 艺的W12和W13的屈服强度可达到800MPa以 上，强度可提高100-150MPa左右.另外，轧后

Vol.24 尚成嘉等：RPC对8O0MPa级低合金高强度钢的影响 131· 1000(a)抗拉强度 320 900 300 水淬 800 280 宝260 油淬 6 700 ■W110s 240 600 :w28 220 500 200 1000b)屈服强度 as rolled 500 600 700 900 t州大/℃ 图4不同淬火介质对轧态钢板硬度的影响 800 Fig.4 Hardness vs.tempering temperature of as-rolled of 700 K01 steel follow different quenching conditions -。-W110s ◆-W1240s 600 -·W1320s 500 600 620 640660 680700 烟★*/℃ 图3经不同弛豫条件的试样回火后抗拉强度与屈服强 度的比较 Fig.3 Comparisons of yield and tensile strength after pro- cessed by different delay time 10m 弛豫20s的W13钢板的强化效果更好，强度高 (a)水淬 于弛豫40s的W12钢.不同弛豫时间钢所表现 出的强化特征是与其组织特性是密切相关的. RPC工艺技术所得到的超细中温转变产物是强 化的主要原因 经过RPC工艺的钢在一定的回火条件下塑 性与韧性均较佳.W12和W13的延伸率在17% ~20%之间，面缩率为60%一70%.表3为经不同 温度回火后的横向试样冲击性能 10 um 表3经RPC技术轧制的钢板回火后的冲击韧性 (b)油淬 Table 3 Impact energy of steels after treated by RPC pro- 图5水淬和油淬钢板的金相组织 cess Fig.5 Microstructure of K01 steel after quenched by water 回火 Axwn Ax.wD and oil 温度20℃-20℃-40℃20℃-20℃-40℃ 细板条结构明显，束尺寸较小，板条较细；图5 680℃157 87 28 93 7742 700℃155137104102121 (b)为油冷后的金相组织，其中粒状贝氏体较多， 69 板条贝氏体束尺寸较大，板条宽度较粗.可见弛 对于K01钢经控轧一弛豫析出工艺后分别 豫控制后的冷却速率的选择对这类钢最终组织 采取水淬和油淬2种方式冷却.图4为K01钢 及力学性能会有明显的影响 经2种工艺过程钢硬度随回火温度的变化规律. 可见，水冷钢板经过600℃回火后的硬度仍较 3结论 高，当回火温度大于650℃后硬度才明显下降. (I)通过对RPC技术不同弛豫时间和加速 对于油冷试样，在500600℃范围回火，硬度 冷却条件的研究，发现利用弛豫一析出一控制 在260-250Hv之间，比水淬试样低40Hv左右. 相变过程能有效的细化中温转变产物，得到超 图5为K01钢2种工艺条件下的组织对比.图 细贝氏体/马氏体组织.对于特定的弛豫时间， 5(a)为钢终轧弛豫后水冷，金相组织显示束内的 能使板条束结构的尺寸控制在5~10m,束内

-132 北京科技大学学报 2002年第2期 的板条宽度为1m左右.加速冷却速度的大小 [in:HSLA steels2000,Beijing:Metallurgical Industry 将影响束结构大小及板条粗细. Press,2000.304 (2)利用TMCP-RP℃工艺技术轧制的12mm 2 Shang C,Yang S,Yuan Y.The Structure and Properties of 800 MPa Grade HSLA Steel after Treatment by RPC 厚板.不同弛豫时间对强度有明显的影响，经过 Technique[M].T Chandra K,Higashi C.Suryanarayana 弛豫一析出控制的钢板的强度比未弛豫的钢板 and C Tome,Editeds[C].Tin:]THERMEC2000,Las Vegas: 的强度高100-150MPa,利用RPC技术能得到 J of Materials Processing Technology,2001 屈服强度大于800MPa的12mm厚低合金高强 3 Cuddy L J.The Effect of Microalloy Concentration on the 度钢板 Recrystallization of Austenite During Hot Deformation, Plastic Deformation of Metals[M].New York:Academic 致谢：参加本工作的还有北京科技大学材料科学与工程 Press,1975.129 学院的孙加林，康永强博士及武汉钢铁公司的汪福成，刘 4 Yang S,Shang C,Yuan Y.Relaxation-precipitation-con- 昌明先生，在此对他们表示衷心的感谢 trolling Transformation (RPC)during Thermal Mechan ical Process[M].T Chandra,K Higashi,C Suryanarayana 参考文献 and C,Tome Editeds.[in:]THERMEC'2000.LasVegas:J I Shang C,Yang S,Wang X.A New 800 MPa Grade Ultra of Materials Processing Technology,2001 fine Composite Microstructure HSLA Plate Steel [M]. Influence of RPC Technique on the Microstructure and Mechanical Properties of 800 MPa Grade HSLA Plate Steel SHANG Chenjia,YANG Shanwu,HE Xinglat,WANG Xieumin,LIU Zhengqi,CHEN Qinping 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China 2)Wuhan Iron and Steel(Group)Co,Wuhan 430080,China ABSTRACT By a special thermomechanical control process(TMCP-RPC),relaxation for a certain time after control rolling and then direct quenching/accelerated cooling,the strain induced precipitions and defect structure in deformed austenite resulted in refinement of intermediate transformation microstructure.Follow- ing this relaxation-precipitation-control phase transformation(RPC)process,800 MPa grade plate steel with an ultra-fine mixture microstructure of bainite and martensite was obtained.The effect of processing parame- ters on the microstructure and the mechanical properties was revealed. KEY WORDS HSLA steel;TMCP;RPC;microstructure mechanical properties

. 1 32 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 2 年 第 2 期 的板条宽度 为 1卿左 右 . 加速冷却速度 的大小 将影响束结 构大 小及板条粗 细 . (2 )利用 T M C P - RP C 工艺技术轧制 的 21 r n 们n 厚板 . 不 同弛豫时间对强度有 明显 的影 响 , 经过 弛豫一析出控制 的钢板 的强度 比未弛豫 的钢板 的强度高 10 一 1 50 M aP , 利用 lR, C技术 能得到 屈服强度大 于 8 0 M Pa 的 12 ~ 厚低合 金高强 度钢板 . 致谢 :参加本工 作的还有北 京科技大学 材料 科学 与工程 学 院 的孙 加林 ,康永 强博士 及武汉钢 铁公司的汪福 成 ,刘 昌明先 生 ,在此 对他们表示衷 心 的感谢 . 参 考 文 献 Sh a n g C , 、 恤n g s ,叭厄n g X . A N e w 8 0 0 M P a G r a d e U l tr a - if n e C o m p o s iet M i e or s trU c t u er H s LA Pl aet S et l 【M } . [i n : ] H S L A st e e l s , 2 00 0 , B e ij ign : M e at ll u堪i e ia 1 n d u s ’tIy P er s s , 2 0 0 0 . 304 2 Sh an g C , 、 触n g s , uY an .Y hT e S trU e ot r e an d P r 0 P e rt i e s o f 8 00 M P a G r a d e H SL A Set e l a fet r rT e a tm e nt by R PC eT e hn iq u e [M ] . T C han d r a K , H i g a s hi C . S u yr an ar a y an an d C oT m e , E dit e d s [ C ] . [ in : ]丁H E R M E C , 20 00 , L a s决g as : J o f M at e ir al s P r o e e s s in g eT e hn o l o gy’ 20 0 l 3 C u dd y L J . Tb e E fe ct o f M i c or ia loy C o cn e n t r a ti o n o n het eR e yr ast l li atZ i o n o f A u s t e n iet D u n n g H o t D e fo mr at i o n , P last i e D e fo mr at i o n o f M e t a l s【M l . N ew OY kr :A e ad em i e P er s s , 197 5 . 1 2 9 4 aY n g S , S han g C , uY an .Y eR lax at i on 一 P r e e i Piat ti o n 一 e o n - otr l li n g rT a n s fo n ” a ti o n (R P C ) d u ir n g hT e mr al M e e h an - i e a l p or e e s s [M ] . T C h an d r a , K H ig as h i , C S u yr an ar ay an a an d C , oT m e E d iet d s . l i n : ] T H卫R M E C , 2 00 0 . L as Ve g a s : J o f M aet r i a l s Por e e s s ign eT e hn o l o gy, 200 1 nI fl u e n c e o f R P C eT c h n iqu e o n ht e M i er o s如 e utr e an d M e hc an i c a l P r o P e rt i e s o f 80 0 M P a G ar d e H S L A P l at e S t e e l 5万叼刀 G hC e ’nj ’la ,气 YA N G hs an w ’u), H E iX gnJ 如i ,) 洲刃 G方, e u m’ln ), L I U hZ e n g’q己 C习五浑 Q’lnP i心 ” l )M at e r i a l S c i cn c e an d E n g i n e ier 昭 S e h o o l , U S T B e ij i吧 , B e ij i吧 10 0 0 8 3 , C h i n a Z )W Oh an I onr an d S et e l ( C r o u P ) C o , W曲an 4 3 00 80 , C h ian A B S T R A C T B y a sP e c i a l ht e n n om e e h ian e a l e o ntr o l rP o e e s s (T M C P 一 RP C ) , er lax iat on for a c e rt a l n t im e a ft e r e o ntr o l or llin g an d ht en d i r e e t qu e cn h i n g/ a c e e l e r aet d c o o l ign , het s tr a l n in du e e d rP e e iP it i o n s an d ds fe e t st ur e tL ir e i n d e fo mr e d a u s et n i et er s u let d i n er if n e m en t o f in t e n n e id at e tr a n s fo n n a t i o n m i e or s t ur c t u r e . F o ll o 、 v - i n g ht i s er lax at i o n 一 rP e e iP l at t lon 一 e o n tr o l Ph a s e tr an s fo mr iat on (RP C ) rP o e e s s , 8 0 0 M P a gr a de P lat e s et e l w iht an u ltr -a if n e m l x t ur e m i cor s t ur c t 犷 e o f b a i n iet an d m a rt e n s i et w a s o bt a ien d . T h e e fe ct o f Por e e s s in g Pa r a 们。 e - t er s on t h e m i e r o s utr e utr e a n d t h e m e e h an i e a l Pr o Pe rt i e s w a s r e v e al e d . K E Y WO R D S H S L A s t e e l; T M C P : RP C : m i e r o s trU e utr e m e e h如 e al rP o Pe rt i e s