低碳鋼板的組織和性能

低碳鋼板的組織和性能

為了進(jìn)一步提高鋼材料的使用性，提高鋼材料的性能潛力，近年來，國內(nèi)外形成了新鋼鐵材料的研究重點(diǎn)。例如，中國下一代鋼材料的主要基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、日本的超級鋼項(xiàng)目和韓國的高性能結(jié)構(gòu)鋼鐵設(shè)計(jì)。中國、日本和韓國正在集中力量研究超細(xì)晶粒鋼的制備工藝和性能特征。長期的研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明,具有高強(qiáng)度兼有高韌度的鋼鐵材料是最理想的材料,晶粒細(xì)化處理是同時(shí)提高材料強(qiáng)度和韌度的最有效途徑。馬氏體強(qiáng)度高,且有脆性,因此利用馬氏體塑變再結(jié)晶細(xì)化晶粒的報(bào)道很少。本文通過對多道次大壓下量(累積壓下量達(dá)93%)軋制板條馬氏體及其再結(jié)晶細(xì)化行為的研究,制備出了平均晶粒尺寸為50.2～316.4nm的納米晶粒和超細(xì)晶粒低碳鋼板。1鋼板組織形態(tài)和尺寸實(shí)驗(yàn)材料為500×60×6(mm)熱軋態(tài)普通低碳鋼Q235,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:0.17C,0.68Mn,0.37Si,0.039S,0.036P。Q235鋼板經(jīng)940℃×25min鹽浴加熱奧氏體化,淬火后組織為低碳板條馬氏體,再經(jīng)180℃時(shí)效處理后進(jìn)行多道次大變形量(累積壓下量為93%)冷軋,軋后鋼板厚度為0.38mm,制得實(shí)驗(yàn)試樣。軋后試樣在100～700℃范圍內(nèi)退火,溫度間隔為100℃,退火時(shí)間為60min。退火后試樣經(jīng)機(jī)械拋光,用4%的硝酸酒精浸蝕顯現(xiàn)組織,在XJG-05大型金相顯微鏡下觀察鋼板組織形態(tài)。在D/max-rB衍射儀上對鋼板的晶粒尺寸進(jìn)行表征,其衍射條件為:Cu-Kα,掃描速度2°/min,加速電壓為40kV,電流100mA。將試樣機(jī)械減薄至約40μm,進(jìn)行雙噴電解拋光,電解液為1∶4的高氯酸酒精溶液,其溫度為-20℃,電壓75～85V,電流40mA,得到透射電鏡分析樣品。在H-800透射電鏡下觀察鋼板的微觀組織結(jié)構(gòu),并在TEM暗場像中采用弦線法進(jìn)行鋼板晶粒尺寸測定。用HV-1000型顯微硬度計(jì)測量試樣的硬度。用WAW-300C型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)測定拉伸性能,拉伸試樣尺寸如圖1所示。2結(jié)果與分析的總結(jié)2.1晶粒尺寸測定在TEM暗場像中采用弦線法測定的晶粒尺寸和XRD-β增寬法測得的晶粒尺寸結(jié)果如表1所示。采用XRD-β增寬法標(biāo)定晶粒尺寸過程中發(fā)現(xiàn),隨退火溫度升高,晶粒不斷長大,沿〈110〉方向長大速度最快(52.3nm),沿〈211〉方向次之(29.8nm),沿〈200〉方向長大速度最慢(22.6nm)。對TEM暗場像晶粒的測算結(jié)果與X射線衍射結(jié)果也較為吻合。2.2大壓下量軋軋鋼板力學(xué)性能的轉(zhuǎn)化Q235鋼冷軋前、后的板條馬氏體組織如圖2a、b。冷軋鋼板經(jīng)300℃、400℃、500℃保溫60min退火后的試樣在電鏡下觀察到的組織形態(tài)分別示于圖3a、b、c,500℃、600℃保溫60min退火后試樣的斷面金相組織如圖4a、b所示。對板條馬氏體進(jìn)行多道次大壓下量軋制的結(jié)果表明:經(jīng)多道次冷軋后,鋼板顯微組織出現(xiàn)明顯的分層,馬氏體板條沿軋面和軋向近似于平行排列。軋前多數(shù)相鄰板條間有較大的取向差,板條內(nèi)存在高密度位錯(cuò),在冷軋變形過程中,隨著變形量的增加,馬氏體板條發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng),大量馬氏體板條趨于沿軋向排列,大量位錯(cuò)相互纏結(jié)、堆積使晶粒拉長破碎;軋制力對鋼板所作的功一部分轉(zhuǎn)化為殘余內(nèi)應(yīng)力殘留在鋼板中,使鋼板處于高能狀態(tài),因此,大壓下量軋制后的鋼板在不同溫度進(jìn)行退火,利用保溫過程的回復(fù)和再結(jié)晶可以獲得超細(xì)晶粒組織,并顯著提高低碳鋼的強(qiáng)度。在低于300℃進(jìn)行退火,這時(shí)組織中僅發(fā)生點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移,所以鋼板的晶粒大小和形狀并沒有發(fā)生明顯變化,鋼板的內(nèi)應(yīng)力已大大降低,但整個(gè)冷軋鋼板的晶粒拉長破碎的狀態(tài)仍沒改變,組織仍處于不穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)鋼板的力學(xué)性能幾乎沒有變化。經(jīng)300～600℃退火,此時(shí)原子具有較高的活動(dòng)能力,這時(shí)晶粒形狀發(fā)生明顯的變化,拉長破碎的晶粒重新生成新的等軸晶粒。鋼板的顯微組織發(fā)生了徹底的改變,強(qiáng)度、硬度明顯下降,塑性得到進(jìn)一步提高,晶粒尺寸開始明顯長大,見圖3、圖4所示。由圖4a、b對比可知,500℃退火的鋼板仍保持層片狀結(jié)構(gòu),晶粒尺寸達(dá)到316.4nm;600℃退火的鋼板晶粒明顯粗化,此時(shí)晶粒尺寸達(dá)到4.7μm,層片狀結(jié)構(gòu)已消失。由圖5b可知,經(jīng)500℃退火后的鋼板抗拉強(qiáng)度明顯的高于600℃退火的鋼板,這是由于鋼板在變形過程中其內(nèi)部生成大量界面,成為類似金屬層壓板的金屬內(nèi)生復(fù)合材料,大幅度提高材料的力學(xué)性能。2.3試驗(yàn)結(jié)果分析冷軋前試樣硬度為423HV。冷軋后經(jīng)不同溫度退火后,測得顯微硬度如圖5a所示,σb-ε變化曲線如圖5b所示。硬度與拉伸曲線的變化趨勢與退火后鋼板的晶粒大小、形態(tài)密切相關(guān)。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知,冷軋鋼板經(jīng)低于300℃退火后,晶粒尺寸沒有明顯變化(約20nm),硬度下降平緩(572HV→559HV),σb值很高,ε值很小,拉伸曲線呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂特征,此時(shí)鋼板處于回復(fù)階段;經(jīng)300～600℃退火后,晶粒尺寸明顯長大,硬度顯著下降(559HV→196HV),σb值降低,ε值逐漸增大,拉伸過程逐步向韌性斷裂過渡,此時(shí)鋼板發(fā)生了再結(jié)晶;大于600℃退火后,硬度變化又趨于平緩(196HV→186HV),σb值較低,ε值已很大,發(fā)生韌性斷裂,由圖4b可知,此時(shí)鋼板再結(jié)晶已完成。3拉伸性能及硬度(1)對Q235鋼板進(jìn)行淬火→時(shí)效→大壓下量冷軋→再結(jié)晶處理,制備出了屈服強(qiáng)度為1137～1209MPa、抗拉強(qiáng)度為1266～1756MPa、晶粒尺寸為50.2～316.4nm的低碳鋼板。(2)低于300℃退火時(shí)拉伸試樣呈