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