HQ80C钢性能与组织的定量关系

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1993.01.013 第15卷第1期 北京科技大学学报 Vol.15 No.1 1993年1月 Journal of University of Science and Technology Beifing Jan.1993 HQ80C钢性能与组织的定量关系 刘国权* 崔文暄 江海· 秦瑞凯”* 张万山** 摘要：研究了一种Cr-Ni-Mo-V-Ti-B多元合金化、强度高于785MPa的可燥结构锅 (HQ80C)淬火态和400~700℃回火态显微组织与拉伸性能及冲击性能之间的定量关系。发现钢 的韧脆转化温度(50%FATT)与马氏体板条束截线长度呈线性相关；建立了调质态钢的屈服强度 计算公式。回火温度范围为500~700℃时理论计算值与实测值相对偏差均小于3%。 关键词：HSLA钢，组织-性能定量关系，热处理，强度，韧性，马氏体板条束 Structure-Property Relationships in a Heat-Treated Weldable Steel Liu Guoquan CuiWenxuan'Jiang HaiQin Ruikai Zhang Wanshan' ABSTRACT:A785MPa-grade weldable HSLA steel (HQ80C)with Cr,Ni,Mo,V,Ti. and B has been experimentally studied to determine quantitative relationships between properties (strength and toughness)and microstructures.It has been found that the ductile-brittle transition temperature(50%FATT)varies linearly with the mean intercept of martensitic packets.An empiric equation has been established to predict the yield strength of the as quenched and tempered steel;the relative deviation of the predicted yield strength values from the experimental ones are all less than 3%when the steel was tempred at500to700℃. KEY WORDS:HSLA steel,structure-property relationships,heat treatment,strength. toughness,martensite packets HQ80C钢是抗拉强度高于785MPa的低碳、低合金可焊高强结构用钢，含有Cr, Ni、Mo、V、Ti和B等多种合金元素。在热处理过程中该钢组织结构变化相当复杂， 至今尚缺乏它的韧性、强度等力学性能与组织结构之间定量关系方面的研究。H$LA钢 1992-06-17收稿 本项属“七五”国家重点科技项目(No75-28-01-06) *北京科技大学(University of Science and Technology Beijing) 事*鞍山钢铁公司钢铁研究所(Anshan Iron and Steel Compiany) 第一作者刘国权男40教授

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 盯 运 。 钢性能与组织的定量 关系 刘 国权 ‘ 崔文 暄 江 海 秦瑞 凯 ’ 张 万 山 摘 要 研 究 了 一 种 。 一 一 。 一 一 一 多元 合 金 化 、 强 度 高 于 的 可 焊 结 构 锅 淬火态和 一 ℃ 回 火态显微组织 与拉伸性能及冲击性 能之 间的 定量关系 。 发 现钢 的韧脆转化温度 与马 氏体板条束截线长 度呈 线性相关 建立 了调质态钢的屈服弧 度 计算公式 。 回火温度范围为 一 ℃ 时理论计算值与实测值相对偏差均小于 。 关键词 钢 ， 组织一性能定量关系 ， 热处理 强度 ， 韧性 ， 马 氏体板条束 一 一 翻 ‘ 邢 ‘ ‘ 而’ “ ’ 附 “ 一 ， ， ， ， 呱 一 负 ℃ ， 一 ， ， 、 ， 钢 是 抗 拉强 度高 于 的 低 碳 、 低 合 金 可 焊 高强 结 构 用 钢 ， 含有 、 、 。 、 、 和 等 多种 合 金 元 素 。 在 热处 理 过 程 中该 钢组织 结构变化相 当 复杂 ， 至今 尚缺乏 它的韧性 、 强度等 力学性能 与组 织结构之 间定量 关 系方 面的研究 。 翎 一 一 收稿 本项属“ 七五” 国家重点科技项 目 一 一 。 卜 北京科技大学 鞍山钢铁公 司钢铁研究所 〕 第一作者 刘 国权 男 教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1993．01．013

·74· 北京科技大学学报 1993No.1 经中、高温回火后马氏体板条束界强化系数问题至今未见有研究报导。结合对该钢合理热 处理工艺的实验探索，本文对冲击性能和强度与组织结构、热处理工艺参数等之间的定量 关系进行了较为系统的研究。 1实验方法 实验用钢是由鞍山钢铁公司提供的20mm厚HQ80C钢热轧板材。转炉熔炼-顶底复 合吹炼，并采用合成渣洗、喷吹Si-Ca粉及吹氩等技术措施。钢板由2800mm轧机采用 横轧法轧制，终轧温度<970℃。化学成分为(%)：C0.l4,Si0.34,Mn1.09,Cr 1.07,Ni0.40,Mo0.45,V0.07,Ti0.023,B0.0027,Cu0.36,P0.010,S0.008。 采用的热处理工艺制度为： (a)淬火温度为1160℃，1100℃，1040℃，980℃，920℃，保温20min,在 10%NaC1水溶液中淬火，再在620℃回火并保温160min空冷。 (b)在920℃保温20min,10%NaC1水溶液淬火，再在700℃，620℃，560℃， 500℃，或400℃保温160min空冷。 所有力学性能试样均在热处理后的板材上横向（垂直于原轧制方向）取样。其中冲击试 样采用标准夏氏V型缺口，拉伸试样则为Φ6mm×30mm短标准试样。 采用截线法)在光学显微镜下测量奥氏体晶粒的平均截线长度d和马氏体板条束( packet,,定义为由近似平行排列的马氏体板条组成的板条群)的平均截线长度d,。测量相 对误差<5%。在SEM照片上测量冲击断口解理断裂单元的平均截线长度dc,所得结果 均为约150个单元尺寸的平均值。 回火过程中x基体中位错密度的测量采用D/MAZ-RB12kW旋转阳极X射线仪进 行，Cu-Kax射线辐照，扫描速度为I。/min。 采用电解萃取碳化物粉末进行结构和成分分析。采用金属薄膜及碳萃取复型样和透射 电镜观亲析出物的形貌。电子衍射确定析出物结构类型，进而用图像分析仪定量测定析出 物的二维面积大小和尺寸分布。 2结果与分析 2.1淬火加热温度对力学性能的影响 图1为不同温度淬火态(a)和调质态(b)的力学性能结果。 由图1可以看到，两类热处理状态下HQ80C钢板的抗拉强度，延伸率对淬火加热温 度均不敏感，虽然淬火态屈服强度随淬火温度升高而有所降低（图1），但由此而导致样品 间的屈服强度的差异于620℃回火后消失（图1b)。另一方面，淬火加热温度对于调质态 HQ80C钢室温冲击功Cv和韧脆转化温度(50%FATT)有显著影响。随淬火温度升高，调 质态HQ80C钢板的冲击性能严重恶化（图Ib)

北 京 科 技 大 学 学 报 入 经 中 、 高温回 火后 马 氏体板 条束界强化 系数 问题 至今未见有研究报导 。 结合对该 钢合理热 处 理工艺的 实验探索 ， 本文对 冲击性能和强度与组织 结构 、 热处理工艺参数等之 间的定 关 系进行 了较为 系统的研究 。 实 验 方 法 实验 用 钢 是 由鞍 山钢铁公 司提供的 厚 钢热轧 板 材 。 转炉熔炼一 顶底 复 合吹 炼 ， 并采用 合成 渣洗 、 喷吹 一 粉 及吹显等技术措施 。 钢板 由 轧 机采 用 横 轧 法 轧 制 ， 终 轧 温 度 ℃ 。 化 学 成 分 为 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 。 采用的热处理 工 艺制度为 淬 火 温 度 为 ， ， ， ， ℃ ， ℃ ， ， ， 保 温 ， 在 水溶液 中淬火 ，再在 ℃ 回火 并保 温 空冷 。 在 ， 保 温 ， 水 溶 液 淬 火 ， 再 在 ， ， ， ， ℃ ， ， ， 或 ℃ 保温 空冷 。 所 有 力学性 能 试样均 在热 处理后 的 板材上横 向 垂直 于原轧 制方 向 取 样 。 其 中冲击 试 样采 用 标准 夏 氏 型缺 口 ， 拉伸试样则为 中 火 短标准 试样 。 采 用 截 线 法 〔 ’ 〕 在光学显 微镜 下测量奥 氏体 晶粒 的 平均 截线 长度 和马 氏体 板 条束 ， 定 义 为 由近似平 行排列 的 马 氏体板 条 组 成 的 板 条群 的 平均 截 线 长 度 咋 。 测量 相 对误 差 。 在 照 片上 测量 冲击 断 口 解理 断裂单元 的 平均截线 长度 ， 所 得 结果 均为约 个单元尺寸的平均值 。 回 火过程 中 基体 中位错密 度的测量采用 一 旋转 阳极 射线 仪进 行 ， 一 射线辐 照 ， 扫描速度为 。 。 采 用 电解萃取 碳化物粉末进行结构和成分 分析 。 采用 金属薄膜及 碳萃取 复型样和透射 电镜观察析 出物的 形貌 。 电子 衍射 确定析出物结构类型 ， 进 而用 图像 分析仪 定量 测 定析 出 物的 二 维 面积 大小和尺 寸分布 。 结 果 与 分 析 淬火 加热温度对 力学性能的影 响 图 为不 同温 度淬火 态 和 调质态 的 力学性能结果 。 由图 可 以看到 ， 两类热处 理状 态 下 钢板 的抗拉强 度 ， 延 伸率对淬火加热温 度均不 敏感 ， 虽然 淬火 态屈 服 强 度随淬火 温度升高而有所降低 图 ， 但 由此而导致样品 间的 屈 服 强 度的 差 异 于 加 ℃ 回 火 后 消失 图 。 另 一 方 面 ， 淬火 加 热 温 度对 于调 质态 钢 室 温 冲击功 和 韧脆转 化温度 有显 著影响 。 随 淬火 温 度升高 ， 调 质态 钢板的 冲 击性能 严 重 恶化 图

Vol.15 No.1 HQ80C钢性能与组织的定量关系 ·75· 1400a 1200 1000 3 900 电 Ga2 1000 50 50%FATT 40 40 20 30 6°20 20 10 9、 10 g 0 0 920 .10401160 860 9801100 淬火温度/℃ 淬火温度/℃ 图1淬火加热温度对HQ80C钢力学性能的彩响 (a)淬火态拉伸性能：(6)淬火+620℃回火后的强韧性 Fig.I Effects of austenizing temperature on mechanical properties 2.2 回火温度对HQ80C钢板力学性能的影响 1200 60 1100 光 1000 o, 0 50FATTCM-20) 60 900 30 800 40 20 20 20 700 b 0℃ 600 10 oL 500l 400 500 20 600 700 400 500 600 700 回火温度/℃ 回火温度/℃ 图2回火温度对力学性能的彩响 (a)拉伸性能 ()冲击性能 Fig.2 Effect of tempering temperature on mechanical properties HQ80C钢板的力学性能随回火温度的变化如图2所示。由图可知，抗拉强度、屈服 强度随回火温度升高而下降，尤其高于620℃回火时强度急刷下降，但于560~620℃区间 内回火时强度下降略缓。延伸率（δ）随回火温度升高而不断增大，高于620℃回火时其增 大更为明显。-20℃和-40℃冲击值Cv随回火温度的变化与6，的情况均非常类似，但在 高温回火时提高的幅度更大。随回火温度的升高，韧脆转化温度不断下降。 2.3韧性与组织的定量关系 表1给出了热轧HQ80C钢板在不同温度加热20min淬火后原奥氏体晶粒平均截线长 度d4、马氏体板条束平均截线长度d?以及经620℃回火后-100℃冲击断口的解理断裂单 元平均截线长度dc的实测数据

一 钢性能与组织的定级关系 卜一﹄炙岁氏 为刃团 ，，…于 ‘ 协 弓 尸一节产 卜、 卜之州 卜之‘ 户 一、 叭‘ 卜 口叫 － 一夕 ， 一 乌 一 吧 犷 一， ‘ 气 淬火沮度 七 淬火沮度 亡 图 淬火加热温度对 钢 力学性能 的影响 淬火态拉伸性能 淬火 ℃ 回 火后的强韧性 回火温度对 钢板力 学性能 的影 响 簇 岁民卜丈﹄卜 一尸 ‘一 一 氏 多口 了 ， 一 ‘ 一 ‘ 己芝匕 回火温度 ℃ 回火温度 ℃ 图 回火温度对力 学性能的影响 拉伸性能 冲击性能 件 刀 加 加 五 钢板 的 力学性 能随回 火温度的变化如 图 所示 。 由图可 知 ， 抗拉强 度 、 屈 服 强度随回 火温度升高而下降 ， 尤其高 于 ℃ 回 火时强度急剧下降 ， 但 于 一 ℃ 区 闻 内回 火 时强 度下 降略缓 。 延 伸率 么 随回 火温 度升 高而不断增大 ， 高于 回 火时其增 大更 为 明显 。 一 ℃ 和 一 ℃ 冲击值 随回 火 温 度的 变化与 占 的情况 均非 常类似 ， 但在 高温回 火时提高的 幅度更大 。 随回 火温度的升高 ，韧脆转 化温 度不 断下降 。 韧性与组织的定盆关 系 表 给 出了热轧 钢板在不 同温度加热 淬火后原奥 氏体 晶粒平均截线长 度 么 、 马 氏体板条束平均 截线 长度 心 以及 经 ℃ 回火后一 ℃ 冲击 断 口 的 解理 断裂单 元平均截线 长度 的 实测数据

·76· 北京科技大学学报 1993.No.1 由表1可推知，冲击断口解理断裂单元尺寸与马氏体板条束尺寸间存在若近似正比例 关系（相关系数>0.997）：dc=1.32dp (1) 表1试样的da、d,、d和S0%FATT Table I d、4、d-and50%FATT of the samples 淬火温度，℃ 参数 920 980 1040 1100 1160 dA.um 20.0 29.7 40.8 45.0 58.0 dum 13.3 14.7 17.8 20.1 25.5 dc,um 17.6 18.9 24.0 26.0 34.6 50%FATT,℃ 10 22 34 55 60 ·注：dA、d,为淬火态值；d和50%FATT测定试样又经620℃回火处理。 由于淬火回火钢冲击断口断裂单元大小是韧脆转化温度的控制因素，从而可以推断， HQ80C钢板的韧脆转化温度必然强烈依赖于马氏体板条束尺寸。实验值经线性回归分析得 50%FATT(℃)=199.61-21.655d/2 (2) 式中d,的单位为mm,两个变量间的线性相关系数为-0.973。应当指出的是，dc是在相当 于断口表面正投影的SEM断口照片上测量的，从而是断裂单元的投彩尺寸，而非空间真 实尺寸dc(真)。后者应为d。/cos值，其中日为解理断裂单元所在平面与投形平面的法线 间夹角。实验观测表明，0值主要大致均匀分布在0°~45°之间，从而可估计出对应的 cos值： g0-”cos9a000 另外，对30个断裂单元对应的日角实测结果得c0s0=0.851,与上式计算结果甚为接 近。从而，由公式(1)可推知， d.(真)≈1.5d (3) 然而，采用dc还是d(真)并不影响公式(2)的正确性，因为式(2)中断裂单元尺寸并非 变量。 回归分析还表明，在d.实验值(=19-80mm)范围内，d,与da近似呈线性相关（相关 系数为0.975： d。=7.0+0.274d、≤d、m (4) 由以上分析可知，淬火加热温度升高，奥氏体晶粒变大使淬火马氏体组织粗化，进而 使断裂单元尺寸变大，降低了裂纹扩张能量，最终导致冲击性能恶化。 2.4强度与显微组织的定量关系 光学显微镜金相观衰表明，920℃奥氏体化淬火后经400~700℃回火，HQ80C钢的 金相组织中马氏体板条形貌基本未变。透射电镜观察分析进一步表明，除700℃回火样x 基体发生了回复并有少量再结晶（图3b)外，在620℃及更低温度下回火组织均为板条界面 清晰的回火马氏体加不同类型的碳化物粒子（图3）。采用电解碳化物粉末和化学分离法确 定的各类碳化物在钢中的重量百分比见表2。 定量分析HQ80C钢板屈服强度随回火温度变化时必须同时考虑固溶强化、位错强

北 京 科 技 大 学 学 报 由表 可推知 ， 冲击断 口 解理 断裂单元尺 寸与马 氏体板条束 尺寸间存在着近似正 比 例 关 系 相关 系数 ， 二 心 裹 试样的 、 心 、 壳 和 竹 晒伙工 应 ， 牵 盛鱼旦亘 丛 丛叮 。 鱿虫鲜砰勺训 … … 参数 津火沮度 ， 亡 ，科 心 ，产 壳 ，拜 丁 ， ℃ ， 口 叨 注 么 、 心为淬火态值， 和 犯 侧定试样又经 ℃ 回火处理 。 由于淬火回 火钢 冲击断 口 断裂单元大小是韧脆转化温 度的控制因素 ， 从而可 以推断 ， 钢板的韧脆转化温度必然强烈依赖于马 氏体板条束尺寸 。 实验值经线性 回归分析得 ℃ 一 丐 ‘ ， 式 中 咋的 单位为 ，两个变量 间的线 性相关 系数为一 。 应 当指出的是 ， 是在相 当 于断 口表面正 投影的 断 口 照 片上测量的 ， 从 而是 断裂单元的投影 尺寸 ， 而非空间真 实尺 寸 真 后 者应为 。 而口值 ， 其 中 口为解理 断裂单元所在平 面与投影平 面的法线 间夹角 。 实验观测表 明 ， 日值主 要大致均 匀分 布在 。 一 。 之 间 ， 从而可 估计 出对应的 改污日值 。 一 资 “ ” ‘ ” 二 。 · ， 另外 ， 对 个断裂单元 对应 的 角实测结果 得己丽口 ， 与上式计算结果 甚为接 近 。 从 而 ， 由公式 可 推知 ， 。 真 ‘ 然而 ， 采 用 还是 真 并不影响公式 的 正 确性 ， 变量 。 因为式 中断裂单元 尺 寸并非 回 归分 析还 表 明 ， 在 人 实验 值 二 一 范 围 内 ， 心 与 近 似呈 线性相 关 相关 系数为 二 一 · · 、 蕊 ‘ 。 ， 由以上 分析可 知 ， 淬火 加热温度升 高 ， 奥 氏体 晶粒变大使淬火马 氏体组 织粗 化 ， 进 而 使断裂单元 尺寸 变大 ， 降低 了裂纹扩张能量 ， 最 终导致 冲击性 能恶化 。 强度与显微组 织的定 关系 光 学 显微镜金 相观察表 明 ， ℃ 奥 氏体化 淬火后 经 一 ℃ 回 火 ， 钢 的 金相组 织 中马 氏体板 条 形貌基本 未变 。 透射 电镜观察分析进一 步表 明 ， 除 ℃ 回火样 基体发 生 了回 复并有少量再结 晶 图 外 ， 在 ℃ 及 更低温 度下回火组 织 均为板 条界面 清晰的 回 火马 氏体加不 同类 型的 碳化物粒 子 图 。 采用 电解碳化物粉末和化学分离法 确 定的各 类碳化物在钢 中的重量百 分 比见表 。 定 量 分析 钢板 屈 服 强 度随 回 火 温 度变 化时必须 同时 考 虑 固 溶 强 化 、 位错强

Vol.15 No.1 HQ80C钢性能与组织的定量关系 ·77· 化、析出强化和界面强化（细化组织强化）等多种强化机制的贡献。本工作中采用下式根据 HQ80C钢板的显微组织估算其淬火回火后的屈服强度： 表2各类碳化物析出的数量，% Table 2 Amount of precipitated phases,% 析出相 淬火态 回火温度，℃ 400 500 560 620 700 ε碳化物 0.31 0 0 0 0 0 MoC,TiN 0.029 0.032 0.030 0.029 0.029 0.029 (Fe,M)C 0 0.69 0.78 0.094 1.17 1.16 Mo,C+VC 0 0 0.046 0.112 0.076 0 MaCs 0 0 0 0 0.028 0.244 总量 0.339 0.722 0.855 1.081 1.303 1.455 g,=,+k,d,)12+△g.+△ga+△g。 (5) 式中c,=单晶纯铁中阻碍位错运动的摩擦应力，取作30MPa2), ky(d,)12-马氏体板条束界面对屈服强度的贡献，其中d,的定义同前， k,为一依赖于材料及其状态的系数： △σs=固溶强化对屈服强度的贡献；△σ=位错强化对屈服强度的贡献； △σ。=析出强化对屈服强度的贡献。 以下就固溶强化、·位错强化、析出强化和马氏体板条束界面强化贡献逐项加以分析讨论。 .5m 0.33m 图3HQ80C钢透射电镜照片(900℃淬火) (a)620℃回火 b)700℃回火 Fig.3 TEM micrographs of HQ80C alloy (1)固溶强化根据HQ80C钢中含碳总量和回火析出碳量（后者可据表2中实验数 据得到)，可以计算x基体中固溶碳量随回火温度的变化，如图4所示。虽然随回火温度 升高固溶碳量明显降低，但大多数情况下基体仍为碳的过饱和固溶体，从而碳的固溶强化 作用不可忽略。 用类似方法可计算回火过程中钢中合金元素的析出量（见图）并进而获知各合金元素

钢性能与组织的定 关系 · · 化 、 析出强化和界面强 化 细化组织强化 等多种强化机制的贡献 。 本工 作 中采 用下式根据 钢板的显微组织估算其淬火回 火后的屈服强度 表 各类碳化物析出的数 ， 纽 ， 析出相 淬火态 回火温度 ， ℃ 碳化物 ， ， 力 总量 ， 一 。 。 ， 一 ，‘ ， △， △。 △。 。 式 中 叮。 单晶纯铁 中阻碍位错运动的摩擦应 力 ， 取作 〔 〕 ， 叼 一 ’ ’ 一 马 氏体板条束界面对屈服强度的贡献 ， 其 中 心的定义 同前 ， 为一依赖于材料及其状态的系数 △几 二 固溶强化对屈 服强度的贡献 △。 二 位错强化对屈 服强度的贡献 △。 析出强化对屈 服强度的贡献 。 以下就 固溶强化 、 位错强化 、 析出强化和马 氏体板条束界面强化贡献逐项加以分析讨论 。 图 钢透射电镜照片 ℃ 淬火 ℃ 回火 ℃ 回 火 · 固溶强 化 根据 钢 中含碳总量和回 火析 出碳量 后者可 据表 中实验数 据得 到 ， 可 以计算 基体 中固溶碳量随 回 火温 度的变化 ， 如 图 所示 。 虽然随回火温度 升高固溶碳量 明显降低 ， 但大 多数情况下基体仍为碳的过饱和 固溶体 ， 从而碳的 固溶强化 作用不可忽略 。 用 类似方法可 计算回 火过 程 中钢 中合 金元素的析出量 见 图 并进而获知各合金元素

·78· 北京科技大学学报 1993.No.1 在x基体中的固溶量。实验钢中合金元素含量最高的是Mn和Cr,二者在钢中总量和回 火后析出量均分别相当接近；考虑到每单位重量的固溶Mn在x一F中产生的屈服强度增 量为正，而每单位重量的固溶Cr产生的增量为负，二者绝对值亦相当接近)，从而可 认为本实验钢中固溶M和固溶Cr所产生的屈服强度增量之和接近于零而忽略之。另 外，对于一般的HSLA钢，可以认为全部Si、Ni、P和小于0.20%的全部Cu将处于固 溶态。其中Ni对x一Fe产生的屈服强度增量可视作零)，对于本实验钢，固溶Si、P和 固溶Cu对冠服强度的贡献参照文献[3]中的计算方法所得增量值约为+40MPa。由于固溶 Mo、V等的强度增量系数均相当小，为简化计算而忽略之。微量杂质S的固溶强化系数 很小，且其含量又很少，故亦可忽略其对强度的影响3)。 0.2 0.1 Mo Mn 0 400 500 600 700 400 500 600 700 回火温度/℃ 回火沮度/℃ 图4回火温度对x基体中碳含量的影响 图5回火温度对合金元素析出量的影响 Fig.4 Effect of tempering temperature on Fig.5 Effect of tempering temperature on the amount the C content in the q-matrix of alloying elements precipitated out 基于上述考虑，本文在估算式(5)中△0： 项时采用如下公式： 50 △o。=40+kC; (6) 式中C,为固溶碳量，k,和n均为常数。据文 40 献[2对板条马氏体的研究结果，取 ww/ k,=6870MPa,n=0.5o 色 30 固溶强化对HQ80C钢淬火回火钢板 20 屈服强度的贡献计算结果见表3。 (2)位错强化将x基体中位错当 10 作统计性无规分布处理〔4)，并采用下式估 普通中豫钢的 算位错强化对HQ80C淬火回火钢板屈服 300 400500600 700 强度的贡献： 回火温度/℃ △ca=0.4hp'r2 (7)） 图6位错密度随回火温度的变化 式中4和b分别代表基体切变模量和位错 Fig.6 Effect of tempering temperature on 柏氏矢量，p为位错密度(mm)。图6示 the dislocation density

北 京 科 技 大 学 学 报 在 ， 墓体 中的 固 溶量 。 实验钢 中合 金元 素 含量 最 高的 是 和 ， 二者在 钢 中总量 和回 火后析 出量 均分 别 相 当接近 考虑 到每单位重量 的 固溶 在 一 中产生 的 屈 服强度 增 量为 正 ， 而 每单位重 量 的 固 溶 产生 的 增量为 负 ， 二者 绝 对值亦 相 当接近 〔 ，〕 ， 从 而可 认为 本 实 验 钢 中固 溶 和 固溶 所 产 生 的 屈 服 强 度 增量 之 和接 近于 零 而 忽略之 。 另 外 ， 对 于 一 般的 钢 ， 可 以 认为全 部 、 、 和 小 于 的全 部 将 处 于 固 溶态 。 其 中 对 一 产生 的 屈服强 度增量可 视作零 川 对于本 实验钢 ， 固 溶 、 和 固溶 对 屈 服 强 度的 贡献 参 照 文献【 中的计 算方 法所 得 增量值约 为 十 。 由于 固溶 。 、 等 的 强 度增量系数均相 当小 ， 为 简化计算而忽略 之 。 微量 杂质 的 固 溶强化 系数 很小 ， 且其含量又 很少 ， 故亦可 忽略 其对强 度的影响 找 。 踌粼 米 叭 与习粼喇 、 、 一、 阅人一 一 可叹 味 ，界 浪沮归扣火 回火温度 ℃ 回火沮度 ℃ 图 回 火温度对 基体中碳含 的影响 图 · 加 仪一 基于 上述 考虑 ， 本文在估算式 中△ 项时采 用 如 下公式 回 火温度对合金元素析出 的影响 爪 乙尸已‘ △ 。 一 ‘ 式 中 ‘ 为 固溶碳量 ， 、 和 。 均为常数 。 据文 献【 对 板 条马 氏体 的 研究结果 ， 取 ‘ ， · 固 溶 强 化 对 钢 淬 火 回 火 钢 板 屈 服强 度的 贡献计算结果见表 位 错 强 化 将 基体 中位 错 当 作 统 计性 无 规 分 布处 理 〔 〕 ， 并采 用 下 式 估 算位 错 强 化 对 淬 火 回 火 钢 板 屈 服 强 度的贡献 △。 一 。 ，，‘ ， 式 中 拜 和 分 别 代 表基体切 变模量 和 位 错 柏 氏矢 量 ， 为 位错密 度 一 。 图 示 入 架、 一 一 权 、 图 · 汉刃 闷仪 旦刀 以〕 田 回火温度 ℃ 位错密度随回 火温度的变化 碑 衅

Vol.15 No.1 HQ80C锅性能与组织的定量关系 ·79· 出本文实测位错密度数据。可以看到，HQ80C钢中位错密度明显高于相同回火温度下的 普碳锅中数值，从而位错强化对屈服强度的贡献在各回火温度均高于式(5)中其它任何单 项贡献，见表3。 (3)析出强化析出强化机制与析出相形态、尺寸以及是否与基体保持共格等因素 密切相关。 HQ80C钢在回火过程中析出多种碳化物（表2），且其尺寸及形貌变化很大〔s),给定 量估算析出强化对强度的贡献造成极大困难。为获得实用的屈服强度估算公式并尽可能使 问题简化，本文将各种碳化物的析出强化均按位错绕过机制处理。根据Orowan-Ashaby 修正公式〔4) △，=2 π2 2 (8) 式中4和b符号含义同前，冫为析出相粒子的平均自由程，而Φ为对螺位错和刃位错取 算术平均值后的一个常数： 。一+已、)其中v为治桑比 1-v (9) 表3列出了400~700℃回火条件下析出强化项△0，的计算值。其中560和620℃回火样 中△σp值明显高于其它样品，与此时钢中析出特殊碳化物且尚未粗化或转化相对应。 (4)组织细化强化由式(4)知，HQ80C钢中淬火马氏体板条束尺寸d,与原奥氏体 晶粒尺寸之间近似呈线性关系，从而本文在估算组织细化对强度的贡献时仅取，作为独 立变量，并用k,(4,)/2计算组织细化对屈服强度的贡献大小。 表3屈服强度的实测和理论值 Table 3 Calculated and experimental values of yield stress 回火温度，℃ 屈服强度 400 500 560 620 700 do,MPa 30 30 30 30 30 △os,MPa 241 227 199 177 165 △aa,MPa 608 435 384 304 240 △a,MPa 170 200 254 277 66 k(d )/2MPa 108 108 108 108 108 c,(计算)，MPa 1157 1000 975 896 609 c,(实测)，MPa 1036 993 955 923 597 估算值相对误差，% 11.7 0.7 2.1 -2.9 2.0 已有多人实验测定过淬火钢中马氏体组织对应的系数k,的数值。例如，Whiteman【6] 对低碳板条马氏体，Norstrom(刀对Fe-4.6%Mn和Fe-4.8%Mn合金（含碳 0.035-0.058%)淬火马氏体的屈服强度(oo)的实验分析均获得飞，=28MPa/mm1/2, Roberts8〕对数种无碳(<0.003%C)Fe-Mn合金(0%-9%Mn)淬火马氏体测得的k,值 (21.4-27MPa/mmi/)与此亦相当接近。本工作中实测HQ80C钢淬火马氏体k,值为

钢性能与组织的定盆关系 出本文 实测 位错密 度数 据 。 可 以看到 ， 钢 中位错密 度 明显高 于 相 同回 火温度 下的 普 碳钢 中数 值 ， 从 而位 错 强化对 屈 服强度的贡献在 各 回火温 度均 高于式 中其 它任何单 项贡献 ， 见表 析 出强化 析 出强 化机 制 与析 出 相 形 态 、 尺 寸 以 及 是 否 与基体保持共 格等 因素 密切相关 。 钢在回 火过程 中析 出 多种碳化 物 表 ， 且其 尺 寸及 形 貌 变化 很 大 〔 ’ 〕 ， 给 定 量估算析 出强化对强 度的贡献造成 极大 困难 。 为获得 实用的屈服 强 度 佑算公式并尽可能 使 向题 简化 ， 本文将各种碳 化物 的析 出强 化 均按位错绕过机 制处 理 。 根 据 一 ’ 修正公 式 川 ﹁ △ 一 鲤烈 一 式 中 井 和 符号 含义 同前 ， 只为 析 出相 粒子 的 平均 自由程 ， 而 小 为对 螺 位 错和 刃位错取 算术平均值后 的一 个常数 ， 一 委乙 兴一 其 中 为 泊桑 比 少 表 列 出 了 一 ℃ 回 火 条 件 下析 出强 化 项△。 。 的 计算值 。 其 中 和 ℃ 回火徉 中△二 值明显 高于其它样 品 ， 与此时钢 中析 出特殊碳化物且 尚未粗化或转化相 对应 。 组织 细 化强 化 由式 知 ， 钢 中淬火 马 氏体 板 条束 尺 寸 心与 原奥 氏本 晶粒 尺寸 之 间近 似呈 线 性关 系 ， 从 而 本文在 估 算组织 细 化对强 度 的 贡献时 仅取 心作 为 独 立变量 ， 并用 气勾 一 ’ ’ 计算组 织 细化对 屈 服强 度的贡献大 小 。 表 屈服强度的实测和理论值 油 帆 回 火温度 ， ℃ 屈服强度 － 几 ， △ ， △口 ， △几 ， 凡匆 一 ， ，， 几 算 ， 。 实测 ， 估算值相对误差 ， 一 已 有 多人 实验 测 定过淬火 钢 中马 氏体 组 织对 应 的 系数 的 数值 。 例如 ， 对 低 碳 板 条 马 氏 体 ， 〔 ’ 〕 对 一 ， 和 一 ， 〔 〕 合 金 含 碳 一 淬 火 马 氏 体 的 屈 服 强 度 气 的 实 验 分 析 均 获 得 ， 〔 〕 对 数种 无 碳 一 合 金 ’ 一 ， 淬 火 马 氏体 测 得 的 一 一 ’ ’ 与此 亦 相 当接 近 。 本 工 作 中实 测 钢 淬火马 氏体 ， 值为

·80· 北京科技大学学报 1993.No.1 42MPa/mml/2,明显高于前述Fe-Mn合金的实验数据，但与Swarr和Krauss C9)对 高纯Fe-0.2%C合金淬火组织对应的k,值(46MPa/mml/3,对应于0.1%残余应变屈服 应力)相当接近。后者的研究结果表明对应于oo2的k,值大于40MPa/mm1/2。他们将 此归因于碳的影响，即偏析碳和/或极细碳化物与板条束界面位错的交互作用，从而，k 随碳量增加而变大，Tomita和Okabayashi(1〕对低、中碳低合金结构钢的实验研究亦支 持上述论点。本文实验用合金中含碳0.14%，明显高于文献[7和[8]中合金含碳量而较接近 于文献[9]中合金的含碳量，故可以认为本文所得淬火态钢的k,值是可信的，虽然尚不能 完全排除钢中未溶碳化物数量变化可能产生的彩响。 表3中k,(d,)1/2项的数值是参考文献[91、[10的k,值，在假定回火态HQ80C钢的 k,=12.5MPa/mm1/2的条件下计算的。 从表3可知，屈服强度的理论与实测 1200 值，除400℃回火样品外，其余理论估 1000 算值的相对误差均小于3%，说明本文 采用的估算经验公式符合实用要求。 800 现将回火温度对屈服强度中不同强 化机制贡献量的彩响汇总于图7。 600 由图可知，HQ80C钢屈服强度主要 来自位错强化、固溶强化和析出强化3 400 种机制，而位错强化的贡献一直保持最 200 大。其中位错强化和固溶强化贡献量随 固溶违化 /与单晶对应的菇础强度 回火温度的升高大致呈单调减小，析出 0 5SfasnmnS nissEr5☑ 400 500 600 700 强化的贡献在560~620℃回火范围内出 回火温度/℃ 现极大值。在620℃回火时，可以认为 图7不同强化机制贡献量 HQ80C钢屈服强度中位错强化、析出 Fig.7 Contributions of various strengthening mechanisms 强化、其余强化机制的贡献各占1/3， 综上所述，根据HQ80C钢的成分及热处理后组织特征，可采用下式： g,=70+12.5d,)13+6870c:+0.4ubp2+ (MPa) (9) 作为中高温回火态屈服强度的估算公式，式中d。、C、p和1依次为马氏体板条束尺寸 (mm)、固溶碳量、位错密度(mm)和碳化物平均自由程。当回火温度范围为500~700℃ 时，相对误差<3%。 3结论 (1)调质态HQ80C钢的韧性及韧脆性转化温度取决于马氏体板条束尺寸；低温冲击 断口解理裂断单元真实尺寸强烈依赖于马氏体板条束尺寸。 (2)除淬火态屈服强度随淬火温度升高略下降外，淬火态和调质态HQ80C钢的强 度、延伸串均对淬火温度不敏感。 (3) 实验测得淬火态马氏体板条束界面强化系数k,=42MPa/mm1/2,但经中、高

北 京 科 技 大 学 学 报 一 ， ’ ， 明显 高于 前述 一 合 金 的 实验 数据 ， 但 与 和 〔 〕 对 高纯 一 合金 淬火组 织 对 应的 ， 值 ‘ ’ ， 对应 于 。 残 余应 变 屈 服 应 力 相 当接近 。 后 者 的 研究结果表 明对应 于 气 的 ， 值大 于 一 ， ’ 。 他 们 将 此 归 因 于碳的 影 响 ， 即偏析碳和 或极细碳化物 与板条 束界 面位 错 的交互作用 ， 从 而 ， 勺 随碳量 增 加而变大 ， 和 〔 ’” 〕 对低 、 中碳低 合 金 结构钢的 实验研究亦 支 持上述 论 点 。 本文 实验 用 合金 中含碳 ，， 明显 高于文献 【 和【 中合 金 含碳量而较接 近 于文 献 中合 金 的 含 碳量 ， 故 可 以 认 为本文 所得淬火态钢的 气值是可 信的 ， 虽然 尚不 能 完全排除钢 中未溶碳化 物数量 变 化可 能产 生的 影响 。 表 中 气 凡丫 ’ ’ 项的 数值是 参考文献 、 】的 ， 值 ， 在假定回 火 态 钢 的 ， 一 一 ’ 的 条件下计算的 。 矜 姗 撇翅呱 求 丝 泌 丝 枕 萎一一 卒 一彭一‘ 州 泌熬革馋升丫 台 一 团溶强化 产与单品对应‘约羞抽强 度 声 … … · … … … 因聋黔创己芝 回火温度 ℃ 图 不 同强化机制贡献工 ” 从表 可知 ， 屈 服强度 的理论 与实测 值 ， 除 ℃ 回 火 样品 外 ， 其余 理 论 估 算值 的 相 对 误 差均 小 于 ， 说 明 本文 采用 的估算经 验公 式符合 实用 要求 。 现 将 回 火 温 度 对屈 服 强 度 中不 同 强 化机制贡献量 的 影响汇总 于 图 。 由图可 知 ， 钢屈 服强 度主 要 来 自位错 强 化 、 固 溶 强 化和 析 出 强 化 种机 制 ， 而 位错 强 化 的 贡献一直 保 持 最 大 。 其 中位错 强 化 和 固溶强 化 贡献 呈 随 回 火 温 度的 升 高 大 致 呈 单 调 减 小 ， 析 出 强 化的 贡献在 一 ℃ 回 火 范围 内出 现 极大 值 。 在 ℃ 回 火 时 ， 可 以 认 为 钢 屈 服 强 度 中位 错 强 化 、 析 出 强 化 、 其余强 化 机 制的 贡献各 占 。 综上 所 述 ， 根 据 钢的 成 分及 热处 理 后组 织 特征 ， 可 采 用 下式 。 一 、 一 ” ‘ ’ ’ ’ 。 。 。 ’ ’ 尸 蝉兀 人 作 为 中高 温 回 火 态屈 服 强 度的 估 算公 式 ， 式 中 咋 、 、 和 只依 次 为 马 氏体 板 条束尺 寸 、 固溶 碳 量 、 位 错 密 度 一 和 碳 化物 平 均 自由程 。 当回 火 温 度范 围为 一 ℃ 时 ， 相 对 误 差 。 结 论 调 质态 钢的 韧性及 韧脆 性转 化温 度取决 于马 氏体板 条束尺 寸 低温 冲 击 断 口 解 理 裂 断单元 真实尺寸强 烈 依 赖 于马 氏体 板条束 尺 寸 。 除 淬 火 态 屈 服 强 度随 淬 火 温 度升 高略 下降 外 ， 淬火 态和 调 质 态 钢 的 强 度 、 延 伸率均对淬火温度不敏 感 。 实验 测得淬火 态 马 氏体 板条 束界面强 化 系数 一 一 ’ ， 但经 中 、 高

Vol.15 No.I HQ80C钢性能与组织的定置关系 ·81 温回火后该值大幅度减小。 (4)在（或低于620℃回火，HQ80C钢中氏休被茶形态不：交，06仁回火时都分马 氏体板条束内出现尺寸较大的等翻亚晶，在62刘比弛围国水，位错强化一直上主 导地位；析出强化则在50~620℃回火时注现悠值老三.和，或C的析出以 及合金渗碳体的细小弥散分布相对应： 参考文献 1余永宁、刘国权.体视学北京：治金工业出版社，1989：703 2俞德刚.钢的组埚度学，上海科技：版社，19B? 3雍歧龙，马鸣图，吴宝控.微合金.北京机拟工业H版社，1989：53-65 4 Malik L,Lund J A.Metall Trans.1972.3:1403 5江海.北京科技大学硕士论文，199 6 Whiteman J A.in:Low Carbon Steeis for the Eighties.London:The Institution of Metallurgists.1977,Series 3,(6):I-1 7 Norstrom I.A.Scand J Metall.1976.5:159-165 8 Roberts M J.Metali Trans,1970,1:3287 9 Swarr T.Krauss G.Metall Trans.1976,7A:41-48 10 Tomita Y,Okabayashi K.Miall Trans,1986,17A:1203-1209

、 尹 肋 钢性能与组织的定里关 系 温回火 后该值大 幅度减小 。 拼少 在欠或 低 于 ℃ 回火 ， 叨 铆 巾 几 夭仕板 条 衫 态 不 变 一 ’ 。 ℃ 回火 时 部分 马 氏体板 条 束 内出 现尺 寸较大 的等轴 亚 晶 在 姜助 二 七 范 即 内 只 穴 ， 位错 强 化 一 直 古主 导 地位 析 出强 化 则 在 义 一 亡 回 人时 土 现 啥 疚 公者 一 与 ’ ， 厂 和 或 的 析出 以 及 合金渗碳体的 细 小弥 散分 布相对 应 二 参 考 文 献 余 永宁 ， 刘 国权 体视学 北 京 台金 臼少 招版社 ， 蛇 沁 一 协 俞 德刚 钢的 组 织 强 度学 上海科技次版 社 触 雍岐龙 ， 马 呜 图 ， 吴 宝榕 微合金锅 北 京 一 机械 丁 ‘ 匕出版社 ， 一 版 ， 川 丁 段 万 ‘ 王 江 海 北京科技大学 硕 士 论文 ， 从， 上 工 觅。 几 。 入哎 里 ， ， 子 一 又 匕 “ 王 一 ， ， ， ， 乡了 ， 礴 一 ， 入 飞见 ， 母 ， 一 户