热处理对1000MPa级工程机械结构用钢组织和性能的影响

D01:10.13374/i.issnl001053x.2010.05.0①6 第32卷第5期 北京科技大学学报 Vo132 No 5 2010年5月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing May 2010 热处理对1000MP级工程机械结构用钢组织和性能 的影响 钱亚军余伟武会宾 杨跃辉 北京科技大学治金工程研究院.北京100083 摘要设计了一种低碳M-Mo-N-C:B系超高强度工程机械结构用钢，研究了在同种成分条件下MCP themom echan ical contolproces驾十回火与控轧+直接淬火十回火两种工艺对钢组织和性能的影响.对比分析了热处理前后钢板各项力学 性能和组织的变化.结果表明，两种工艺条件下钢的屈服强度和冲击性能的变化趋势相似，经500~620℃回火1h后钢的屈 服强度均有大幅度提高.控轧十直接淬火十回火得到的钢板综合性能明显优于MCP叶回火，前者在6O0℃回火后屈服强度 仍达到1000MP以上，同时延伸率达到1%，一40℃冲击功大于30J而后者塑性较好但强度稍低：随回火温度的升高，控 轧十直接淬火回火工艺条件下的组织演化速度要快于MCP斗回火工艺. 关键词结构用钢：工程机械：热处理：显微组织：力学性能 分类号TG1421 Effect of heat tream ent on the m icrostructure and m echan ical properties of 1000 MPa grade structural steel for constructpn machinery QIAN Ya jin YWei WU Hui-bing YANG Yuehui Metallurgical Engineering Research hstiute Universit ofScierce and Technobgy Beijig Beijing 100083 China ABSTRACT A low carbon MnMaNb-CuB ultra h gh strength stuctural steel pr constuction machinery was designed and the effect of TMCP(themam echanical contol process+tempering(TMCPT)technology and controlled rollng+direct quench ng and emperng(CR+DQ+T)technology on itsmicros tucture and mechan icalproperties under the sae camposition was sudied The changes inmechan ical properties andm icrostucures of the steel plates before and after heat treament were commparativel ana lzed The results show hat after kmperng from 500'C p620C pr I h here is a substantial increase of the steel Plates in yield strengt The perpmance of the steel plates treaed by (R+DQ+T process is obvipus y superior that by TMCP+T process and the yield strength of he pmer is stillmore than1000MPa afer mpering at600C.Besides he epngation can reach1 and the mpact en ergy at-40C ismore han30 J Hovever he plasticity of he ater is better but the strength slghty lower W ith the temperng tem perature increasing he evolution speed ofm crostrucures under the cond ition of(R-+DQ+T s more quick y han hat under the con d ition of TMCP+T KEY WORDS strucural steel constructionm ach nery heat treament microstructure m echanical Properties 近几年我国工程机械制造业发展迅速，同时对 机械的能力效率、延长使用寿命、减轻自重和降低能 高强度钢的需求也越来越大.目前大量使用的高强 耗都具有十分重要的作用. 钢.强度级别大多在800MP以下，国内只有鞍钢、 传统的工程机械用高强度钢板主要以固溶强 宝钢等少数几家钢厂可以生产800MP以上级别的 化、析出强化为主来提高强度，其中碳和合金元素含 高等级钢，但仍然存在合格率较低的问题，高等级钢 量较高，生产工艺大多为调质处理，如美国的高屈服 仍需进口1-，大规模使用高强度钢对于提高工程 强度钢H80~130(oa2=550~890MP%.近年来， 收稿日期：2009-08-31 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划资助项目(N?2D06BAE0306) 作者简介：钱亚军(1981-)，男，硕士研究生：余伟(196&，男，副研究员，博士，Ema!we@nercar ust ed识cn

第 32卷 第 5期 2010年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.5 May2010 热处理对 1000 MPa级工程机械结构用钢组织和性能 的影响 钱亚军 余 伟 武会宾 杨跃辉 北京科技大学冶金工程研究院, 北京 100083 摘 要 设计了一种低碳 Mn--Mo--Nb--Cu--B系超高强度工程机械结构用钢, 研究了在同种成分条件下 TMCP( thermo-mechan￾icalcontrol-process) +回火与控轧 +直接淬火 +回火两种工艺对钢组织和性能的影响.对比分析了热处理前后钢板各项力学 性能和组织的变化.结果表明, 两种工艺条件下钢的屈服强度和冲击性能的变化趋势相似, 经 500 ～ 620℃回火 1h后钢的屈 服强度均有大幅度提高.控轧 +直接淬火 +回火得到的钢板综合性能明显优于 TMCP+回火, 前者在 600 ℃回火后屈服强度 仍达到 1 000MPa以上, 同时延伸率达到 18%, -40℃冲击功大于 30 J, 而后者塑性较好但强度稍低;随回火温度的升高, 控 轧 +直接淬火 +回火工艺条件下的组织演化速度要快于 TMCP+回火工艺. 关键词 结构用钢;工程机械;热处理;显微组织;力学性能 分类号 TG142.1 Effectofheattreatmentonthemicrostructureandmechanicalpropertiesof 1 000MPagradestructuralsteelforconstructionmachinery QIANYa-jun, YUWei, WUHui-bing, YANGYue-hui MetallurgicalEngineeringResearchInstitute, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China ABSTRACT Alow-carbonMn-Mo-Nb-Cu-Bultrahighstrengthstructuralsteelforconstructionmachinerywasdesignedandthe effectofTMCP( thermo-mechanicalcontrolprocess) +tempering( TMCP+T) technologyandcontrolledrolling+directquenching andtempering( CR+DQ+T) technologyonitsmicrostructureandmechanicalpropertiesunderthesamecompositionwasstudied.The changesinmechanicalpropertiesandmicrostructuresofthesteelplatesbeforeandafterheattreatmentwerecomparativelyanalyzed. Theresultsshowthataftertemperingfrom500℃ to620℃ for1h, thereisasubstantialincreaseofthesteelplatesinyieldstrength. TheperformanceofthesteelplatestreatedbyCR+DQ+TprocessisobviouslysuperiortothatbyTMCP+Tprocess, andtheyield strengthoftheformerisstillmorethan1 000MPaaftertemperingat600℃.Besides, theelongationcanreach18% andtheimpacten￾ergyat-40℃ ismorethan30J.However, theplasticityofthelatterisbetterbutthestrengthslightlylower.Withthetemperingtem￾peratureincreasing, theevolutionspeedofmicrostructuresundertheconditionofCR+DQ+Tismorequicklythanthatunderthecon￾ditionofTMCP+T. KEYWORDS structuralsteel;constructionmachinery;heattreatment;microstructure;mechanicalproperties 收稿日期:2009--08--31 基金项目:“十一五”国家科技支撑计划资助项目 (No.2006BAE03A06) 作者简介:钱亚军 ( 1981— ), 男, 硕士研究生;余 伟 ( 1968— ), 男, 副研究员, 博士, E-mail:yuwei@nercar.ustb.edu.cn 近几年我国工程机械制造业发展迅速, 同时对 高强度钢的需求也越来越大 .目前大量使用的高强 钢, 强度级别大多在 800 MPa以下, 国内只有鞍钢 、 宝钢等少数几家钢厂可以生产 800 MPa以上级别的 高等级钢, 但仍然存在合格率较低的问题, 高等级钢 仍需进口 [ 1--3] .大规模使用高强度钢对于提高工程 机械的能力效率、延长使用寿命、减轻自重和降低能 耗都具有十分重要的作用. 传统的工程机械用高强度钢板主要以固溶强 化、析出强化为主来提高强度, 其中碳和合金元素含 量较高, 生产工艺大多为调质处理, 如美国的高屈服 强度钢 HY80 ～ 130( σ0.2 =550 ～ 890 MPa) .近年来, DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.05.006

。600 北京科技大学学报 第32卷 MCP工艺和直接淬火工艺有了很大发展，可以简 低（一40℃冲击功小于25】.Ch等研究了此 化生产工艺，降低碳和合金元素含量，提高工程机械 类钢中TTMO和TN组合对强度的贡献，结果 高强度结构用钢的综合性能，如美国利用MCP工艺 得出(T,iM9C析出贡献最大，并且其纳米级尺寸 发展了含C高强度低合金钢HSA-100(oa2=690 稳定性高.目前国内也有一些关于高强度工程机械 MP9,并用来取代H80~100在没有明显降低强 结构用钢的研究，但多集中于屈服强度在1000MPa 度的情况下，改善了韧性和焊接性能，Gho4以下(Q90.Q800等)的开发和研究上-m.本文结 等9采用低C质量分数为0.08%)微合金化工艺 合前人的相关研究，设计了一种低碳Mn-MoNb 的同时，添加质量分数3.46%的M0和1.889%的 C-B系超高强度工程机械结构用钢，并采用两种工 Cu通过MCP红艺获得了屈服强度达1300MP的 艺（分别称之为工艺1、2图1）进行了实验室试制. 超高强度钢，但是延伸率(12%~16%)和冲击功偏 1250℃，保温2h 四 1250℃.保温2h (b) 1100 930 沙 780 回火 水冷15℃/ 450 空冷 直接淬火（水淬） 时间 图1两种工艺热轧及冷却制度示意图.（号工艺1MCP+T(工艺2R+DQ+T Fg 1 Schemnatic diagrams of hot rolling and heat treament of the wo Processes (a Pocess 1,TMP-T (b Process2 CR+DQ 的主要思路是：降低碳含量，改善韧性和焊接性能， 1实验材料和方法 添加适量合金元素，以保证得到满足性能要求的组 1.1化学成分 织.主要成分如表1所示. 实验用钢是在真空感应电炉治炼，其成分设计 表1实验钢的主要成分（质量分数） Table I Main chemical composition of the expermental steel % 分 Mn Mo Nb V 不 Ni Cu P 006 024 1.8 0.3 0045 0067 0012 0.79 0.8 00014.0005 0.008 1.2实验工艺 块钢，在箱式电阻炉内进行七个温度段的回火 1.21热轧工艺及冷却制度 (450.500.550600.620.650和700℃)，保温1h后 将钢锭热锻成90nmmX90mmX120mm的热轧 空冷至室温，再将钢块机加工成标准拉伸样和冲 坯，在北京科技大学高效轧制国家工程研究中心 击样. 350试验轧机上进行了轧制，经过7道次，轧成厚 13性能测试和组织结构观察设备 13m的钢板.根据实验钢化学成分特点，将加热温 在MT-4105型万能试验机和B-30B型冲击 度确定为1250℃，保温时间为2h将钢板的轧制分 试验机上进行力学性能测试.用IEO1450型扫描 为两个阶段来控制轧制，粗轧开轧温度为1100℃， 电镜对组织演化过程进行观察，并将部分试样制备 粗轧三道次轧制温度控制在1000℃以上，精轧阶段 成萃取碳复型和金属薄膜样品，用EM-2000X型 的开轧温度控制在950℃以下，终轧温度850℃，精 透射电镜和回M2010型高分辨电子显微镜对精细 轧压下率大于6O%.对于MCP工艺轧后空冷到 结构和析出物进行观察和分析. 780℃，然后水冷至450℃.对于CR+DQ工艺，轧后空 冷到80℃，然后直接淬火至室温，如图1所示. 2实验结果 1.22热处理工艺 2.1热处理前后的力学性能变化 从轧后(MCB1和(CR+DQ2钢板各取七 从图2可以看出，工艺2条件下钢轧态的抗拉

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 TMCP工艺和直接淬火工艺有了很大发展, 可以简 化生产工艺, 降低碳和合金元素含量, 提高工程机械 高强度结构用钢的综合性能, 如美国利用 TMCP工艺 发展了含 Cu高强度低合金钢 HSLA--100 ( σ0.2 =690 MPa), 并用来取代 HY80 ～ 100, 在没有明显降低强 度的情况下, 改善了韧性 和焊接性能 [ 4] .Ghosh 等 [ 5] 采用低 C(质量分数为 0.08%)微合金化工艺 的同时, 添加质量分数 3.46%的 Mo和 1.88%的 Cu, 通过 TMCP工艺获得了屈服强度达 1300 MPa的 超高强度钢, 但是延伸率 ( 12% ～ 16%)和冲击功偏 低 ( -40 ℃冲击功小于 25 J) .Chen等 [ 6] 研究了此 类钢中 Ti、Ti--Mo和 Ti--Nb组合对强度的贡献, 结果 得出 ( Ti, Mo) C析出贡献最大, 并且其纳米级尺寸 稳定性高 .目前国内也有一些关于高强度工程机械 结构用钢的研究, 但多集中于屈服强度在 1 000 MPa 以下 ( Q690、Q800等 )的开发和研究上 [ 7--10] .本文结 合前人的相关研究, 设计了一种低碳 Mn--Mo--Nb-- Cu--B系超高强度工程机械结构用钢, 并采用两种工 艺 (分别称之为工艺 1、2, 图 1)进行了实验室试制 . 图 1 两种工艺热轧及冷却制度示意图.( a) 工艺 1, TMCP+T;( b) 工艺 2, CR+DQ+T Fig.1 Schematicdiagramsofhot-rollingandheattreatmentofthetwoprocesses:(a) Process1, TMCP+T;( b) Process2, CR+DQ 1 实验材料和方法 1.1 化学成分 实验用钢是在真空感应电炉冶炼, 其成分设计 的主要思路是 :降低碳含量, 改善韧性和焊接性能, 添加适量合金元素, 以保证得到满足性能要求的组 织.主要成分如表 1所示. 表 1 实验钢的主要成分 (质量分数 ) Table1 Mainchemicalcompositionoftheexperimentalsteel % C Si Mn Mo Nb V Ti Ni Cu B S P 0.06 0.24 1.8 0.3 0.045 0.067 0.012 0.79 0.8 0.001 4 0.005 0.008 1.2 实验工艺 1.2.1 热轧工艺及冷却制度 将钢锭热锻成 90 mm×90 mm×120 mm的热轧 坯, 在北京科技大学高效轧制国家工程研究中心 350试验轧机上进行了轧制, 经过 7 道次, 轧成厚 13 mm的钢板 .根据实验钢化学成分特点, 将加热温 度确定为 1250℃, 保温时间为 2h.将钢板的轧制分 为两个阶段来控制轧制, 粗轧开轧温度为 1 100 ℃, 粗轧三道次轧制温度控制在 1000℃以上, 精轧阶段 的开轧温度控制在 950 ℃以下, 终轧温度 850 ℃, 精 轧压下率大于 60%.对于 TMCP工艺, 轧后空冷到 780 ℃,然后水冷至 450℃.对于 CR+DQ工艺, 轧后空 冷到 780℃, 然后直接淬火至室温,如图 1所示. 1.2.2 热处理工艺 从轧后 ( TMCP) 1 #和 ( CR+DQ) 2 #钢板各取七 块钢, 在箱式电阻炉内进行七个温度段的回火 ( 450、500、550、600、620、650和 700 ℃), 保温 1 h后 空冷至室温, 再将钢块机加工成标准拉伸样和冲 击样 . 1.3 性能测试和组织结构观察设备 在 CMT--4105型万能试验机和 JB--30B型冲击 试验机上进行力学性能测试.用 LEO--1450型扫描 电镜对组织演化过程进行观察, 并将部分试样制备 成萃取碳复型和金属薄膜样品, 用 JEM--2000FX型 透射电镜和 JEM--2010型高分辨电子显微镜对精细 结构和析出物进行观察和分析. 2 实验结果 2.1 热处理前后的力学性能变化 从图 2可以看出, 工艺 2 条件下钢轧态的抗拉 · 600·

第5期 钱亚军等：热处理对1000MPa级工程机械结构用钢组织和性能的影响 ·601° 强度要比工艺1条件下高出200MP以上，屈服强 善，抗拉强度开始快速下降.不同之处在于：600℃ 度也要高出100MPa但是塑性和冲击韧性要低于 以下回火时，抗拉强度变化趋势不同，工艺1条件下 工艺1说明控冷和弛豫工艺有助于改善钢的塑韧 钢在500℃以下回火时，强度一直上升，在500~ 性.在回火过程中，两种工艺钢呈现的共同特点是： 600Q时变化较为平稳：而工艺2条件下钢在500℃ 随回火温度升高，屈服强度变化曲线均呈现M形， 以下回火时，强度则是快速下降，下降幅度达 存在两个强度峰值，在500~600℃范围内屈服强度 100MP后又上升，550Q时达到峰值，同时两种工 提高，屈强比也逐渐升高，同时韧性下降：大于 艺钢在屈服强度达到峰值时的温度点也有所差别， 600℃时屈服强度降低.延伸率迅速提高，韧性改 工艺2高于工艺1 1100- 1200k a h ·一抗拉强度 1050 24 1150 一一屈服强度 24 1000 1100 一·一延伸率 950 22 22 -一抗拉强度 900 -一屈服强度 850 20 20 一·一延伸率 800 900 7506 850 700 16 800h 16 25400450500550600650700 25400450500550600650700 温度℃ 温度℃ 80- 70- -·-CR+D0+T --TMCP+T 只60 50 40 20 25400450500550600650700 温度℃ 图2回火温度对两种工艺钢力学性能的影响.（号工艺上（工艺2(9两种工艺钢一40℃冲击功的变化 Fig 2 Effect of tmpering tmperature on themechaical poperties of the steelphtes treated by he wo processes (a Process!(b)Process2 (9chm8 es in mpact ener图wat-40℃ 两种工艺相比，工艺1下钢的屈服强度均没有 岛.板条束由晶界开始生长，同一板条束内板条取 超过1000MP?而工艺2在低于620℃温度区间都 向一致，板条细长甚至贯穿整个晶粒.由于在未再 可以达到1000MPa并且延伸率都大于16%.综合 结晶区变形量较大，原奥氏体晶粒明显被压扁拉长， 力学性能良好. 晶界清晰，晶粒内部存在较多的变形带.由正M照 2.2热处理前后的显微组织 片可以看出，工艺2所得到的淬火马氏体板条宽度 图3所示是两种工艺条件下钢的微观组织随回 (250~300m)小于工艺1所得到的贝氏体板条，同 火温度变化的情况.由于含有BM等高淬透性元 时位错密度较高. 素和其他合金元素，这两种工艺钢均具有较高的淬 450℃回火后两种工艺的宏观组织仍然保持着 透性和奥氏体稳定性.图3和图4分别为两种工艺 热轧状态.工艺1板条清晰，M-A岛和碳化物发生 钢的轧态组织SM和TEM照片.工艺1钢轧态组 分解相比轧态数量明显减少并缩小；工艺2淬火马 织是由板条状贝氏体和粒状贝氏体组成的混合组 氏体板条间和原奥氏体晶界处仍然含有较多的长条 织.以板条状贝氏体为主，板条较为粗短，不同晶粒 状和短棒状的M-A岛.随着回火温度的升高，贝氏 内板条束取向差异明显，有少量的M-A岛(m artens 体马氏体板条发生部分合并连接和粗化（图3(、 iteaustenite M-A岛)沿界面处分布，并且碳化物在 图4(d),但大部分板条依然清晰可见.工艺2粗 基体上弥散分布.工艺2钢基体组织是以淬火马氏 化特征要大于工艺1同时M-A岛和碳化物明显减 体和贝氏体板条为主，含有少量粒状和长条状MA少.650℃回火时，工艺1板条继续粗化并生成了少

第 5期 钱亚军等:热处理对 1 000MPa级工程机械结构用钢组织和性能的影响 强度要比工艺 1条件下高出 200 MPa以上, 屈服强 度也要高出 100 MPa, 但是塑性和冲击韧性要低于 工艺 1, 说明控冷和弛豫工艺有助于改善钢的塑韧 性 .在回火过程中, 两种工艺钢呈现的共同特点是 : 随回火温度升高, 屈服强度变化曲线均呈现 M形, 存在两个强度峰值, 在 500 ～ 600 ℃范围内屈服强度 提高, 屈强比 也逐渐升高, 同时韧性下降 ;大于 600℃时屈服强度降低, 延伸率迅速提高, 韧性改 善, 抗拉强度开始快速下降 .不同之处在于 :600 ℃ 以下回火时, 抗拉强度变化趋势不同, 工艺 1条件下 钢在 500 ℃以下回火时, 强度一直上升, 在 500 ～ 600 ℃时变化较为平稳 ;而工艺 2条件下钢在 500 ℃ 以下回 火时, 强 度则是快 速下降, 下降幅度 达 100 MPa, 后又上升, 550 ℃时达到峰值, 同时两种工 艺钢在屈服强度达到峰值时的温度点也有所差别, 工艺 2高于工艺 1. 图 2 回火温度对两种工艺钢力学性能的影响.( a) 工艺 1;( b) 工艺 2;( c) 两种工艺钢 -40℃冲击功的变化 Fig.2 Effectoftemperingtemperatureonthemechanicalpropertiesofthesteelplatestreatedbythetwoprocesses:( a) Process1;(b) Process2; (c) changesinimpactenergyat-40℃ 两种工艺相比, 工艺 1 下钢的屈服强度均没有 超过1 000 MPa, 而工艺 2在低于 620 ℃温度区间都 可以达到 1 000 MPa并且延伸率都大于 16%, 综合 力学性能良好. 2.2 热处理前后的显微组织 图 3所示是两种工艺条件下钢的微观组织随回 火温度变化的情况.由于含有 B、Mo等高淬透性元 素和其他合金元素, 这两种工艺钢均具有较高的淬 透性和奥氏体稳定性 .图 3和图 4分别为两种工艺 钢的轧态组织 SEM和 TEM照片.工艺 1钢轧态组 织是由板条状贝氏体和粒状贝氏体组成的混合组 织, 以板条状贝氏体为主, 板条较为粗短, 不同晶粒 内板条束取向差异明显, 有少量的 M--A岛 ( martens￾ite-austenite, M--A岛 )沿界面处分布, 并且碳化物在 基体上弥散分布 .工艺 2钢基体组织是以淬火马氏 体和贝氏体板条为主, 含有少量粒状和长条状 M--A 岛.板条束由晶界开始生长, 同一板条束内板条取 向一致, 板条细长甚至贯穿整个晶粒 .由于在未再 结晶区变形量较大, 原奥氏体晶粒明显被压扁拉长, 晶界清晰, 晶粒内部存在较多的变形带.由 TEM照 片可以看出, 工艺 2所得到的淬火马氏体板条宽度 ( 250 ～ 300 nm)小于工艺 1所得到的贝氏体板条, 同 时位错密度较高. 450 ℃回火后两种工艺的宏观组织仍然保持着 热轧状态 .工艺 1板条清晰, M--A岛和碳化物发生 分解相比轧态数量明显减少并缩小;工艺 2淬火马 氏体板条间和原奥氏体晶界处仍然含有较多的长条 状和短棒状的 M--A岛 .随着回火温度的升高, 贝氏 体--马氏体板条发生部分合并连接和粗化 (图 3( f) 、 图 4( d) ), 但大部分板条依然清晰可见 .工艺 2粗 化特征要大于工艺 1, 同时 M--A岛和碳化物明显减 少.650 ℃回火时, 工艺 1板条继续粗化并生成了少 · 601·

。602 北京科技大学学报 第32卷 量多边形铁素体：而工艺2板条变短粗化更为明显， 形铁素体（图3(h).从上述比较可以看出.工艺1 M-A岛和碳化物完全分解，已经形成了较多的多边 组织的回火稳定性要强于工艺2 4 pm 4 um 4 um 边形铁 m 4 jm 图3随回火温度增加组织演化情况.(、(9、(9和（号分别为工艺1轧态、450℃.550℃和650℃回火时组织：(、(d、(5和（分别 为工艺2轧态、450℃.550℃和650℃回火时组织 Fig 3 Micostucmure evolution with tmperng tmperaure (a.(9.(9 and(g are the SEM mages of he steelphtes under hot olled state afer be ing wmpered at450C.550C and 650c n Pocess1,respectivey(b.(d.ad(h)are the SEM mages of the steel plres under hot olled state after being tmpered at450℃.550℃md650℃n Pcess2 respectivey 0.5m 0.5m 0.5m 05m 图4两种工艺钢板组织TM照片.（和(9分别为工艺1轧态，5500回火：(b和（山分别为工艺2轧态，550℃回火 Fig 4 TEM mages of wo tpes of expermental steels (a and (c are them icrgmphs of the steel plates under hot olled smte and afer being mpered at550CnProcess1 espectively (b ad(d are hem rgmphs of the steel phes under hot olled stse and after being tmpeed at 550C n Process2 respec tive 3结果分析与讨论 细化，贝氏体-马氏体板条内位错密度较高，在变形 各道次之间，特别是在终轧变形后的弛豫阶段，由于 通过轧后热处理，两种工艺钢的力学性能都有 应变诱导作用，将生成大量极为细小的NbT碳氯 较大幅度的改善，屈服强度提高了190~250MP: 化物和ε-C粒子等沉淀在位错上并将其钉扎，这 两种工艺钢都经过未再结晶区大变形量控轧，组织 些位错在相变过程中基本上被继承下来，并且仍然

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 量多边形铁素体 ;而工艺 2板条变短粗化更为明显, M--A岛和碳化物完全分解, 已经形成了较多的多边 形铁素体 (图 3( h) ) .从上述比较可以看出, 工艺 1 组织的回火稳定性要强于工艺 2. 图 3 随回火温度增加组织演化情况.( a) 、 ( c) 、 ( e)和 ( g)分别为工艺 1轧态、 450℃、550℃和 650℃回火时组织;(b) 、 ( d) 、 (f)和( h)分别 为工艺 2轧态、 450℃、550℃和 650℃回火时组织 Fig.3 Microstructureevolutionwithtemperingtemperature:( a), ( c), ( e) and( g) aretheSEMimagesofthesteelplatesunderhot-rolledstate, afterbeingtemperedat450℃, 550℃ and650℃ inProcess1, respectively;(b), ( d), ( f) and( h) aretheSEMimagesofthesteelplatesunder hot-rolledstate, afterbeingtemperedat450℃, 550℃ and650℃ inProcess2, respectively 图 4 两种工艺钢板组织 TEM照片.( a)和 ( c) 分别为工艺 1轧态, 550℃回火;( b)和( d)分别为工艺 2轧态, 550℃回火 Fig.4 TEMimagesoftwotypesofexperimentalsteels:( a) and( c) arethemicrographsofthesteelplatesunderhot-rolledstateandafterbeing temperedat550℃ inProcess1, respectively;( b) and( d) arethemicrographsofthesteelplatesunderhot-rolledstateandafterbeingtemperedat 550℃ inProcess2, respectively 3 结果分析与讨论 通过轧后热处理, 两种工艺钢的力学性能都有 较大幅度的改善, 屈服强度提高了 190 ～ 250 MPa. 两种工艺钢都经过未再结晶区大变形量控轧, 组织 细化, 贝氏体--马氏体板条内位错密度较高, 在变形 各道次之间, 特别是在终轧变形后的弛豫阶段, 由于 应变诱导作用, 将生成大量极为细小的 Nb、Ti碳氮 化物和 ε--Cu粒子等沉淀在位错上并将其钉扎, 这 些位错在相变过程中基本上被继承下来, 并且仍然 · 602·

第5期 钱亚军等：热处理对1000MPa级工程机械结构用钢组织和性能的影响 603 保持被钉扎状态（图5(9）.450℃回火时，它们将 到1160MPa屈服强度也达845MPa然而，相变位 继续析出，对位错的钉扎作用加强，因此两种工艺条 错比较平直且大部分没有被析出物钉扎，在回火过 件下屈服强度均出现了第1个峰值.随后，屈服强 程中容易消失和重新排列，因此造成了500℃以 度有所下降主要是由于e-C粒子开始粗化，沉淀 下回火时抗拉强度迅速下降.由于e-C等粒子优 密度数减少，对位错钉扎作用减弱造成的山.工艺 先在位错线上析出，马氏体板条的高位错密度提供 2由于轧后直接淬火发生马氏体相变，产生了大量 了更多的沉淀形核位置，从而导致ε-C等粒子析 的相变位错，并且由于冷却速率较快，位错回复程度 出更细小，分布更均匀，强化效果更好，屈服强度 低，密度更高，因此钢的轧态强度很高，抗拉强度达 明显高于工艺1（图6（马） .20011 N6fCN一 0.5m 0.5um 05m 图5工艺2热处理前后析出物形貌.（轧态：(550℃回火：(9650℃回火 Fig 5 Moiphokgies of precpitates n Process2 bepre and after heat treament a hotrolled smte (b)tmpered at550C;(c tmpered at 650℃ 200um 2004m 200m 图6工艺2回火过程中位错与析出物的相互作用.（两450℃回火：(550℃回火(9650℃回火 Fig 6 Inerac tin beween prec pintes and disbcation newos n he tmperng poocess of Process2 (a)mpered at 450C:(b tmpered at 550℃：(9 mpered at660℃ 工艺1条件下，由于钢板弛豫后控冷过程中位 当回火温度大于600℃高温回火时，析出物开 错多被钉扎，并且在随后不同温度回火过程中，将会 始相互吞并粗化，对位错的钉扎作用减小，对变形奥 有进一步析出(NbMO和V等，两种工艺下的二次 氏体回复过程的阻碍作用减弱.同时位错可动性大 强度峰值也是由这些合金元素的析出所产生的，同 大增强，密度下降造成基体软化，强度很快下降，塑 时也造成了塑性和韧性相应降低（图5(9、 性和韧性提高.综合看来，在工艺2条件下，钢的力 图6(9))，造成新的硬化现象，这时原来被析出钉 学性能较为优秀，在强度大幅度提高的情况下，塑性 轧的位错不能回复消失，因此回火过程中组织稳定 和韧性并没有大幅度下降. 性较好1，这也是在500~600℃时抗拉强度变化 4结语 较为平稳的原因.同时由于工艺1细化了基体组 织，NbM和V等合金元素的形核位置多、扩散距 (1)实验钢种碳含量和合金元素含量在同类钢 离短，因此屈服强度达到二次峰值时的温度比工艺 中相对较低，在保证满足性能要求的同时，也提高了 2低.工艺1条件下冲击性能随强度的提高，下降较 钢的焊接性能.回火过程中微合金元素以及C!Mo 多，但总体上一直高于工艺2这是由于工艺1条件 的大量析出对强度的提升作用明显，尤其对是屈服 下位错多被稳定钉扎，可动性变差所致，但亚晶内的 强度的影响，550~600℃回火时，屈服强度上升了 贝氏体板条束间取向差异大，对微裂纹的扩展起了 190~250MP?与此同时，抗拉强度下降较少. 一定的阻碍作用，提高了钢的韧性 (2)热处理前的组织准备对热处理后钢的综合

第 5期 钱亚军等:热处理对 1 000MPa级工程机械结构用钢组织和性能的影响 保持被钉扎状态 (图 5( a) ) .450 ℃回火时, 它们将 继续析出, 对位错的钉扎作用加强, 因此两种工艺条 件下屈服强度均出现了第 1 个峰值.随后, 屈服强 度有所下降主要是由于 ε--Cu粒子开始粗化, 沉淀 密度数减少, 对位错钉扎作用减弱造成的 [ 11] .工艺 2由于轧后直接淬火发生马氏体相变, 产生了大量 的相变位错, 并且由于冷却速率较快, 位错回复程度 低, 密度更高, 因此钢的轧态强度很高, 抗拉强度达 到 1 160 MPa, 屈服强度也达 845 MPa.然而, 相变位 错比较平直且大部分没有被析出物钉扎, 在回火过 程中容易消失和重新排列 [ 12] , 因此造成了 500 ℃以 下回火时抗拉强度迅速下降 .由于 ε--Cu等粒子优 先在位错线上析出, 马氏体板条的高位错密度提供 了更多的沉淀形核位置, 从而导致 ε--Cu等粒子析 出更细小, 分布更均匀, 强化效果更好 [ 13] , 屈服强度 明显高于工艺 1(图 6( a) ) . 图 5 工艺 2热处理前后析出物形貌.( a) 轧态;( b) 550℃回火;(c) 650℃回火 Fig.5 MorphologiesofprecipitatesinProcess2 beforeandafterheattreatment:( a) hot-rolledstate;( b) temperedat550℃;( c) temperedat 650℃ 图 6 工艺 2回火过程中位错与析出物的相互作用.( a) 450℃回火;( b) 550℃回火;( c) 650℃回火 Fig.6 InteractionbetweenprecipitatesanddislocationnetworksinthetemperingprocessofProcess2:( a) temperedat450℃;( b) temperedat 550℃;( c) temperedat650℃ 工艺 1条件下, 由于钢板弛豫后控冷过程中位 错多被钉扎, 并且在随后不同温度回火过程中, 将会 有进一步析出 ( Nb、Mo和 V等, 两种工艺下的二次 强度峰值也是由这些合金元素的析出所产生的, 同 时也造 成了 塑性 和韧 性相 应降 低 ( 图 5 ( c) 、 图 6( c) ) ), 造成新的硬化现象, 这时原来被析出钉 轧的位错不能回复消失, 因此回火过程中组织稳定 性较好 [ 12] , 这也是在 500 ～ 600 ℃时抗拉强度变化 较为平稳的原因.同时由于工艺 1 细化了基体组 织, Nb、Mo和 V等合金元素的形核位置多 、扩散距 离短, 因此屈服强度达到二次峰值时的温度比工艺 2低 .工艺 1条件下冲击性能随强度的提高, 下降较 多, 但总体上一直高于工艺 2.这是由于工艺 1条件 下位错多被稳定钉扎, 可动性变差所致, 但亚晶内的 贝氏体板条束间取向差异大, 对微裂纹的扩展起了 一定的阻碍作用, 提高了钢的韧性. 当回火温度大于 600 ℃高温回火时, 析出物开 始相互吞并粗化, 对位错的钉扎作用减小, 对变形奥 氏体回复过程的阻碍作用减弱.同时位错可动性大 大增强, 密度下降造成基体软化, 强度很快下降, 塑 性和韧性提高 .综合看来, 在工艺 2条件下, 钢的力 学性能较为优秀, 在强度大幅度提高的情况下, 塑性 和韧性并没有大幅度下降. 4 结语 ( 1) 实验钢种碳含量和合金元素含量在同类钢 中相对较低, 在保证满足性能要求的同时, 也提高了 钢的焊接性能 .回火过程中微合金元素以及 Cu、Mo 的大量析出对强度的提升作用明显, 尤其对是屈服 强度的影响, 550 ～ 600 ℃回火时, 屈服强度上升了 190 ～ 250 MPa, 与此同时, 抗拉强度下降较少 . ( 2) 热处理前的组织准备对热处理后钢的综合 · 603·

。604 北京科技大学学报 第32卷 力学性能有明显影响，采用两阶段控轧结合直接淬 peraure on he struc tre and Properties of a ultra bw caton bain 火工艺所得到的综合力学性能优于MCP+T工艺， ite steel(UL(B).HeatTreatMet 2007 32(11):19 (王建泽，康永林，杨善武，等.回火温度对超低碳贝氏体钢 同时工艺更加简化.CR+DQ+T条件下，620℃回 (UICB组织与性能的彩响.金属热处理200m32(11):19) 火时钢的屈服强度仍可以达到1030MPa塑性也较 8]Lan H E DuLX Lu YC eta]Effectof finish cooling tmper 好，延伸率达到18%，并且一40℃冲击功也大于30J a wre on Properties of hgh strength eng ineering mach nery steel 性能优于日本FE公司的H960. Ma ter Meh Eng 2008 32(9):29 (蓝慧芳，杜林秀，刘彦春，等。终冷温度对高强度工程机械 参考文献 用钢性能的影响.机械工程材料，20083边(9)：29) 1]ShuaiQ Luan Y W.Prelm nary exppring he stte of Chna's 19]YaoLD ZhaoSX ZhaoXT et a]800MPagmdeheavyphres Eng neerng constructin and machinery stee]China Steel Foous with bw susceptbility towelding crack Poduced by directquench 2007(4):36 ing TmnsMater HeatTreat 2009 30(3)132 (帅奇，栾玉武.我国工程建设机械用钢市场营销初探.治金 (姚连登，赵四新，赵小婷，等.直接淬火研制&00MP级低焊 管理.2007(4：36 接裂纹敏感性高强钢厚板.材料热处理学报，200930(3 2 LiCM Wang J Ya Z H Donestic deveppment smus and 132) maiket orecast of constructonm achinery stee]ShandongMetall [1g Guo J GuoAM GuoH et al Effect of zironim additin an 200830(4):9 austenite grain coarsening behavior and mechanical pooperties of 李灿明，王建景，闫志华.国内工程机械用钢发展现状和市 900 MPa bw carton ba inise steel J Univ Sci Technol Beiing 场预测.山东治金，200830(4)：9) 200815(6片688 3]Shen F Y Donestic prolucton of cnstruction machinery steel [11]Osmum K Okuda H A snoK SANSSudy of phase decmpa with ultmhigh steng Worl Metals 2006-05-16(A05) sition n FeCu alky wit诎Ni and Mn additi仰ISUg1994 (沈福元.国内生产出机械工程用超高强度钢.世界金属导 34(4):346 报，2006-05-16(05) 【l2 WuHB Sharg C J Zhao YT et al Ef张ct of tempering an [4 WuSD Deve bpment ofAdvanced ShipstmucturalMaterials Dev stability ofmicostuc te andmechan icalpropenies of bw carbon ANp1Maer1999.14(2:36 bainitic steel Iron Steel 2005 40(3):62 (吴始栋。舰船先进结构材料的发展.材料开发与应用. (武会宾，尚成嘉，赵运堂，等.回火对低碳贝氏体钢组织稳 定性及力学性能的影响.钢铁，200540(3)：62) 199914(2):36 【习Ghosh A MishraB Das et a]Structure and Propertes ofa 13 GhasemiS$BaadkoukiD Dunne D P Fomation of ferritic bw carban Cu bearng hih strength steel Mater Sci Eng A Poducts durng conthucus cooling of a Cu_bearing HSIA steel 2005396320 1S)t200646(5):759 [6 ChenC Y Yen HW KaoFH etal Precpitation hardening of [14 Nagao A Io T Obinat T Ultra high strength stel phtes of h stength lov_alby steels by nancme ter sized carbides Ma ter 960 and 1 100MPa class yiel pointwih excelent pughness and S6Eng42009.499162 hh resistance to delayed fracture fr constuctin and industrial 【刀Wang JZ KangY↓YangSW etal Effect of mpering wm. machnery use JFE Tech Rep 2007 18 29

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 力学性能有明显影响, 采用两阶段控轧结合直接淬 火工艺所得到的综合力学性能优于 TMCP+T工艺, 同时工艺更加简化 .CR+DQ+T条件下, 620 ℃回 火时钢的屈服强度仍可以达到 1 030 MPa, 塑性也较 好, 延伸率达到 18%, 并且 -40 ℃冲击功也大于 30 J, 性能优于日本 JFE公司的 HY960 [ 14] . 参 考 文 献 [ 1] ShuaiQ, LuanYW.PreliminaryexploringthestateofChinas Engineeringconstructionandmachinerysteel.ChinaSteelFocus, 2007( 4 ) :36 (帅奇, 栾玉武.我国工程建设机械用钢市场营销初探.冶金 管理, 2007( 4 ):36) [ 2] LiCM, WangJJ, YanZH.Domesticdevelopmentstatusand marketforecastofconstructionmachinerysteel.ShandongMetall, 2008, 30( 4) :9 (李灿明, 王建景, 闫志华.国内工程机械用钢发展现状和市 场预测.山东冶金, 2008, 30( 4) :9) [ 3] ShenFY.Domesticproductionofconstructionmachinerysteel withultra-highstrength.WorldMetals, 2006--05--16( A05) (沈福元.国内生产出机械工程用超高强度钢.世界金属导 报, 2006--05--16 ( A05 ) ) [ 4] WuSD.DevelopmentofAdvancedShip-structuralMaterials.Dev ApplMater, 1999, 14 ( 2) :36 (吴始栋.舰船先进结构材料的发展.材料开发与应用, 1999, 14 ( 2) :36) [ 5] GhoshA, MishraB, DasS, etal.Structureandpropertiesofa lowcarbonCubearinghighstrengthsteel.MaterSciEngA, 2005, 396:320 [ 6] ChenCY, YenHW, KaoFH, etal.Precipitationhardeningof high-strengthlow-alloysteelsbynanometer-sizedcarbides.Mater SciEngA, 2009, 499:162 [ 7] WangJZ, KangYL, YangSW, etal.Effectoftemperingtem￾peratureonthestructureandpropertiesofaultra-lowcarbonbain￾itesteel( ULCB) .HeatTreatMet, 2007, 32 ( 11) :19 (王建泽, 康永林, 杨善武, 等.回火温度对超低碳贝氏体钢 ( ULCB)组织与性能的影响.金属热处理, 2007, 32( 11) :19) [ 8] LanHF, DuLX, LiuYC, etal.Effectoffinishcoolingtemper￾atureonpropertiesofhighstrengthengineeringmachinerysteel. MaterMechEng, 2008, 32( 9) :29 (蓝慧芳, 杜林秀, 刘彦春, 等.终冷温度对高强度工程机械 用钢性能的影响.机械工程材料, 2008, 32 ( 9) :29 ) [ 9] YaoLD, ZhaoSX, ZhaoXT, etal.800MPagradeheavyplates withlowsusceptibilitytoweldingcrackproducedbydirectquench￾ing.TransMaterHeatTreat, 2009, 30( 3 ):132 (姚连登, 赵四新, 赵小婷, 等.直接淬火研制 800MPa级低焊 接裂纹敏感性高强钢厚板.材料热处理学报, 2009, 30( 3 ): 132) [ 10] GuoJ, GuoAM, GuoH, etal.Effectofzirconiumadditionon austenitegraincoarseningbehaviorandmechanicalpropertiesof 900MPalowcarbonbainitesteel.JUnivSciTechnolBeijing, 2008, 15( 6 ):688 [ 11] OsamuraK, OkudaH, AsanoK.SANSStudyofphasedecompo￾sitioninFe-CualloywithNiandMnaddition.ISIJInt, 1994, 34 ( 4) :346 [ 12] WuHB, ShangCJ, ZhaoYT, etal.Effectoftemperingon stabilityofmicrostructureandmechanicalpropertiesoflowcarbon bainiticsteel.IronSteel, 2005, 40( 3) :62 (武会宾, 尚成嘉, 赵运堂, 等.回火对低碳贝氏体钢组织稳 定性及力学性能的影响.钢铁, 2005, 40 ( 3) :62) [ 13] GhasemiSS, BanadkoukiD, DunneDP.Formationofferritic productsduringcontinuouscoolingofaCu-bearingHSLAsteel. ISIJInt, 2006, 46 ( 5) :759 [ 14] NagaoA, ItoT, ObinataT.Ultrahighstrengthsteelplatesof 960 and1 100MPaclassyieldpointwithexcellenttoughnessand highresistancetodelayedfractureforconstructionandindustrial machineryuse.JFETechRep, 2007, 18:29 · 604·