D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.08.017 第31卷第8期 北京科技大学学报 Vol.31 No.8 2009年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug:2009 回火温度对600MPa级低碳贝氏体钢组织和力学性 能的影响 陈林恒)康永林)黎先浩温德智)刘国民) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)湖南涟源钢铁集团有限公司，娄底417009 摘要利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等实验方法，研究了不同回火温度对屈服强度6 00 MPa级Fe一Mn一NbB系 低碳贝氏体高强钢组织和性能的影响·结果表明：回火温度对屈服强度和抗拉强度均有较大影响：各回火温度下的低碳贝氏 体钢性能与回火前相比，屈服强度均有不同程度的升高，而抗拉强度则均有不同程度的下降：600℃回火时屈服强度比回火前 高出105MPa:随着回火温度的升高，屈服强度先上升后又略有下降并在600℃时达到最大值，抗拉强度下降明显，伸长率略 有升高，屈强比升高：分析认为：回火前后力学性能的变化主要与回火后有更多弥散的尺寸在20m以下的新的细小粒子析 出以及马氏体占绝大多数的大块M/A岛的分解和发生位错多边形的回复有关， 关键词低碳贝氏体钢：回火温度；析出：M/A岛 分类号TG142.2:TG156.5 Effect of tempering temperature on the microstructure and mechanical properties of 600 MPa grade low carbon bainitic steel CHEN Lin-heng),KANG Yong-lin),LI Xian-hao),WEN De-zhi2),LIU Guo-min2) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Hunan Lianyuan Iron and Steel Co.Ltd..Loudi 417009.China ABSTRACT The effects of tempering temperature on the microstructure and mechanical properties of 600 MPa grade low carbon bainitic steel belonged to Fe-Mn-Nb-B series were investigated by utilizing scanning electron microscopy (SEM)and transmission elec- tron microscopy (TEM).The results show that tempering temperature has considerable influence on both the yield strength and the tensile strength.The yield strength increases with increasing tempering temperature while the tensile strength has an adverse law.In comparison with the as"received steel.the yield strength of the steel tempered at 600C increases 105 MPa.With the increase in tem- pering temperature,the yield strength increase first and has a slight decline after it reaches the highest point at 600C.the tensile strength decreases significantly.the elongation increases slightly and the yield ratio increases also.Through analysis it is concluded that the major change of mechanical properties after tempering has a connection with dispersive precipitates with the size of less than 20nm,the decomposition of large M/A islands in which martensite has a large proportion and the reversion of dislocations and poly- gon ferrite. KEY WORDS low carbon bainitic steel:tempering temperature:precipitation:M/A island 高强度低碳贝氏体钢是国际上20世纪80年代 行业得到广泛应用山.低碳贝氏体高强钢组织类型 新发展的一类高强度、高韧性的多用型钢种，该新型 复杂多样，一般为准多边形铁素体、针状铁素体、粒 微合金贝氏体钢种由于具有工艺简单、节省能源、强 状贝氏体、板条状贝氏体以及M/A岛等几种非平 韧性好、易于成型以及优良的焊接性能等众多优点 衡组织的混合组织).低碳贝氏体钢在连续冷却下 目前己在工程机械、造船和石油天然气输送管线等 的最终组织受钢种成分、相变前奥氏体晶粒状态、奥 收稿日期：2008-09-24 作者简介：陈林恒(1983一）男，博士研究生；康永林(1954一)，男，教授，博士生导师，E-mail:kangylin(@mater-.ustb.edu.cn
回火温度对600MPa 级低碳贝氏体钢组织和力学性 能的影响 陈林恒1） 康永林1） 黎先浩1） 温德智2） 刘国民2） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 湖南涟源钢铁集团有限公司娄底417009 摘 要 利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（T EM）等实验方法研究了不同回火温度对屈服强度600MPa 级 Fe－Mn－Nb－B 系 低碳贝氏体高强钢组织和性能的影响．结果表明：回火温度对屈服强度和抗拉强度均有较大影响．各回火温度下的低碳贝氏 体钢性能与回火前相比屈服强度均有不同程度的升高而抗拉强度则均有不同程度的下降；600℃回火时屈服强度比回火前 高出105MPa．随着回火温度的升高屈服强度先上升后又略有下降并在600℃时达到最大值抗拉强度下降明显伸长率略 有升高屈强比升高．分析认为：回火前后力学性能的变化主要与回火后有更多弥散的尺寸在20nm 以下的新的细小粒子析 出以及马氏体占绝大多数的大块 M／A 岛的分解和发生位错多边形的回复有关． 关键词 低碳贝氏体钢；回火温度；析出；M／A 岛 分类号 TG142．2；TG156．5 Effect of tempering temperature on the microstructure and mechanical properties of600MPa grade low carbon bainitic steel CHEN Lin-heng 1）KA NG Yong-lin 1）LI Xian-hao 1）W EN De-z hi 2）LIU Guo-min 2） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Hunan Lianyuan Iron and Steel Co．Ltd．Loudi417009China ABSTRACT T he effects of tempering temperature on the microstructure and mechanical properties of 600MPa grade low carbon bainitic steel belonged to Fe-Mn-Nb-B series were investigated by utilizing scanning electron microscopy （SEM） and transmission electron microscopy （T EM）．T he results show that tempering temperature has considerable influence on both the yield strength and the tensile strength．T he yield strength increases with increasing tempering temperature while the tensile strength has an adverse law．In comparison with the as-received steelthe yield strength of the steel tempered at600℃ increases105MPa．With the increase in tempering temperaturethe yield strength increase first and has a slight decline after it reaches the highest point at 600℃the tensile strength decreases significantlythe elongation increases slightly and the yield ratio increases also．T hrough analysis it is concluded that the major change of mechanical properties after tempering has a connection with dispersive precipitates with the size of less than 20nmthe decomposition of large M／A islands in which martensite has a large proportion and the reversion of dislocations and polygon ferrite． KEY WORDS low carbon bainitic steel；tempering temperature；precipitation；M／A island 收稿日期：2008-09-24 作者简介：陈林恒（1983－）男博士研究生；康永林（1954－）男教授博士生导师E-mail：kangylin＠mater．ustb．edu．cn 高强度低碳贝氏体钢是国际上20世纪80年代 新发展的一类高强度、高韧性的多用型钢种该新型 微合金贝氏体钢种由于具有工艺简单、节省能源、强 韧性好、易于成型以及优良的焊接性能等众多优点 目前已在工程机械、造船和石油天然气输送管线等 行业得到广泛应用［1］．低碳贝氏体高强钢组织类型 复杂多样一般为准多边形铁素体、针状铁素体、粒 状贝氏体、板条状贝氏体以及 M／A 岛等几种非平 衡组织的混合组织［2］．低碳贝氏体钢在连续冷却下 的最终组织受钢种成分、相变前奥氏体晶粒状态、奥 第31卷 第8期 2009年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．8 Aug．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．08．017
.984 北京科技大学学报 第31卷 氏体在非再结晶区的变形、冷却条件以及其他生产 工艺的影响很大[].通过不同的保温和冷却工 1 实验材料和方法 艺，可以改变微合金低碳贝氏体钢中相变产物的类 实验材料来自涟源钢铁集团有限公司大生产试 型、各相变组织的比例、组织细化程度等，从而改善钢 制工程机械用低碳贝氏体高强钢板，其主要化学成 的性能].本文主要研究6O0MPa级Fe一MnNb-B 分如表1所示，工艺路线为经高炉冶炼、钢包精炼、 系低碳贝氏体高强钢在不同温度下回火后的组织和 薄板坯连铸和均热炉均热，出炉后通过七机架连轧， 力学性能，从而确定最佳的生产和热处理工艺 轧成厚度为5.8mm的钢板，开轧温度为1030~ 表1实验用钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of tested steel % Si Mn P Nb Ti Mo B 0.044 0.26 1.55 0.02 0.003 <0.1 0.1 <0.40 微量 1050℃，终轧温度为830~880℃，轧后经层流冷却 700℃)，保温1h后在空气中冷却至室温.最后在回 线冷却后在540~600℃内卷取， 火后的试样上取样进行力学性能测试、显微组织和 为了确定能获得最佳综合性能的回火温度，对 析出粒子观察等 实验钢做了系列温度的回火实验，并对回火后的性 将回火后各试样加工成标准拉伸试样，在MTS 能进行了测定，文献[38]中关于高强度级别低碳 810拉伸试验机上测试其力学性能，实验结果如表2 贝氏体钢种回火后各项性能的峰值、谷值或最优综 所示，不同回火温度对性能的影响如图1所示.用 合性能等均出现在高温回火阶段，因此本文主要研 未回火试样和600℃回火试样制取碳萃取复型试 究回火温度在550℃及以上回火后的组织性能.将 样，在JEM一200OFX透射电子显微镜下对析出粒子 轧后试样分别加热至所要求的温度(550,600,650， 进行了观察 表2回火前后各试样的力学性能 Table 2 Mechanical properties of as rolled and heattreated steels 试样编号 回火温度/℃ Rpo.2/MPa R/MPa A/% Rpo.2/Rm 2 回火前 630 825 16.5 0.76 550 685 810 17.5 0.85 护 600 735 795 17 0.92 4 650 725 760 18 0.95 5 700 690 725 20 0.95 注：Ro.2、Rm和A分别表示规定非比例延伸率为0.2%时的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率；Ro.2/Rm表示屈强比 840 21 强钢性能影响较大，各不同回火温度下的力学性能 800 20 与回火前相比均有较大变化，未回火的轧态试样其 ·屈服强度 ·抗拉强度 19 屈服强度和抗拉强度分别为630MPa和825MPa, 720 。伸长率 伸长率为16.5%；在550℃保温1h回火后屈服强 17 度提高到685MPa,抗拉强度略有降低而伸长率略 640 16 有提高；当回火温度为600℃，屈服强度达到最大 60 0 400 500 600 700 15 值，为735MPa,比未回火时增加了105MPa,抗拉强 回火温度无 度降低30MPa;当回火温度提高到650℃时，屈服 图1回火温度对6O0MPa级低碳贝氏体钢性能的影响 强度升高也比较明显，比回火前升高了95MPa,达 Fig-I Effect of tempering temperature on the mechanical properties 到725MPa,抗拉强度下降也很明显，下降了 of 600 MPa grade low carbon bainitic steel 65MPa,达到760MPa,伸长率增加到18%；当回火 温度进一步提高到700℃时，回火后屈服强度为 2 实验结果及分析 690MPa,虽然比回火前还是增加了60MPa,但相比 2.1钢板回火后的力学性能 其他回火温度，其屈服强度又有一定程度的下降 从图1中可以看出，高温回火对低碳贝氏体高 在此温度下回火抗拉强度下降最明显，达到最低值
氏体在非再结晶区的变形、冷却条件以及其他生产 工艺的影响很大［3－5］．通过不同的保温和冷却工 艺可以改变微合金低碳贝氏体钢中相变产物的类 型、各相变组织的比例、组织细化程度等从而改善钢 的性能［3］．本文主要研究600MPa 级 Fe－Mn－Nb－B 系低碳贝氏体高强钢在不同温度下回火后的组织和 力学性能从而确定最佳的生产和热处理工艺． 1 实验材料和方法 实验材料来自涟源钢铁集团有限公司大生产试 制工程机械用低碳贝氏体高强钢板其主要化学成 分如表1所示．工艺路线为经高炉冶炼、钢包精炼、 薄板坯连铸和均热炉均热出炉后通过七机架连轧 轧成厚度为5∙8mm 的钢板开轧温度为1030～ 表1 实验用钢的化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of tested steel ％ C Si Mn P S Nb Ti Mo B 0∙044 0∙26 1∙55 0∙02 0∙003 ＜0∙1 ＜0∙1 ＜0∙40 微量 1050℃终轧温度为830～880℃轧后经层流冷却 线冷却后在540～600℃内卷取． 为了确定能获得最佳综合性能的回火温度对 实验钢做了系列温度的回火实验并对回火后的性 能进行了测定．文献［3－8］中关于高强度级别低碳 贝氏体钢种回火后各项性能的峰值、谷值或最优综 合性能等均出现在高温回火阶段因此本文主要研 究回火温度在550℃及以上回火后的组织性能．将 轧后试样分别加热至所要求的温度（550600650 700℃）保温1h 后在空气中冷却至室温．最后在回 火后的试样上取样进行力学性能测试、显微组织和 析出粒子观察等． 将回火后各试样加工成标准拉伸试样在 MTS 810拉伸试验机上测试其力学性能实验结果如表2 所示不同回火温度对性能的影响如图1所示．用 未回火试样和600℃回火试样制取碳萃取复型试 样在 JEM－2000FX 透射电子显微镜下对析出粒子 进行了观察． 表2 回火前后各试样的力学性能 Table2 Mechanical properties of as-rolled and heat-treated steels 试样编号 回火温度／℃ RP0∙2／MPa Rm／MPa A／％ RP0∙2／Rm 1 回火前 630 825 16∙5 0∙76 2 550 685 810 17∙5 0∙85 3 600 735 795 17 0∙92 4 650 725 760 18 0∙95 5 700 690 725 20 0∙95 注：RP0∙2、Rm 和 A 分别表示规定非比例延伸率为0∙2％时的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率；RP0∙2／Rm 表示屈强比． 图1 回火温度对600MPa 级低碳贝氏体钢性能的影响 Fig．1 Effect of tempering temperature on the mechanical properties of 600MPa grade low carbon bainitic steel 2 实验结果及分析 2∙1 钢板回火后的力学性能 从图1中可以看出高温回火对低碳贝氏体高 强钢性能影响较大各不同回火温度下的力学性能 与回火前相比均有较大变化．未回火的轧态试样其 屈服强度和抗拉强度分别为630MPa 和825MPa 伸长率为16∙5％；在550℃保温1h 回火后屈服强 度提高到685MPa抗拉强度略有降低而伸长率略 有提高；当回火温度为600℃屈服强度达到最大 值为735MPa比未回火时增加了105MPa抗拉强 度降低30MPa；当回火温度提高到650℃时屈服 强度升高也比较明显比回火前升高了95MPa达 到725 MPa抗 拉 强 度 下 降 也 很 明 显下 降 了 65MPa达到760MPa伸长率增加到18％；当回火 温度进一步提高到700℃时回火后屈服强度为 690MPa虽然比回火前还是增加了60MPa但相比 其他回火温度其屈服强度又有一定程度的下降． 在此温度下回火抗拉强度下降最明显达到最低值 ·984· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第8期 陈林恒等：回火温度对600MPa级低碳贝氏体钢组织和力学性能的影响 .985. 725MPa,伸长率也达到最大值20%.屈强比随着回 氏体含量很高.图2(b)是图2(a)中M/A组织的放 火温度的升高而升高，由轧态的0.76升高到650℃ 大照片，图中箭头所示的白色区域即为大块M/A 和700℃回火时的0.95. 岛.试样经550℃和600℃保温1h回火后，粗大的 2.2回火过程中的组织演变 M/A组织开始发生初步分解，如图2(c)和图2(d) 回火前后各试样在扫描电镜下的显微组织照片 所示.从图2()中可以看出，回火前组织中长条状 如图2所示.从图2中可以看出回火前后的组织变 粗大M/A组织已经分解为略微弥散的球形颗粒 化情况，回火前试样的显微组织主要是由粒状贝氏 状；当回火温度继续提高到650℃和700℃时，M/A 体组成，组织中岛状组织的含量较高且较粗大，如图 岛分解已经比较完全，所得组织是粒状贝氏体以及 2(a)所示.对岛状相的进一步研究发现，该岛状相 部分多边形铁素体，如图2()~(h)所示，图2()和 由M/A两相组成，在贝氏体相变过程中，C原子不 图2(h)分别是图2(e)和图2(g)放大后的照片.这 断地从贝氏体基体向奥氏体中扩散，使得剩余奥氏 说明在此温度下回火部分区域已经发生了一定的回 体内逐渐富碳，但岛内的碳含量富集程度尚不够达 复，尤其是在700℃回火时回复的程度比650℃时 到能析出碳化物的水平，故成为富碳奥氏体岛，在冷 要深，因此多边形铁素体的含量比650℃回火时要 却过程中一部分将转变成马氏体].由于钢中加入 多.试样在650℃和700℃回火后多边形铁素体的 了B等能够显著提高淬透性的元素，又在轧后实行 体积分数分别达到35%和55%. 了快速冷却，而且冷速比较大，故M/A组织中的马 204m 104m 20μm 10μm 20山m Sμm 20 um 5μm 图2不同回火温度的钢板显微组织.(a),(b)未回火；(c)550℃：(d)600℃：(e),()650℃；(g),(h)700℃ Fig-2 Microstructures of the tested steel at different tempering temperatures:(a),(b)as rolled:(c)550℃；(d)6O0℃；(e）,(f)650℃；(g), (h)700℃ 2.3回火前后的析出物 偏聚和析出相的形核、长大、粗化四个阶段，制取金 微合金元素的析出过程一般包括微合金元素的 属碳萃取复型试样，在JEM一2000FX透射电子显微
725MPa伸长率也达到最大值20％．屈强比随着回 火温度的升高而升高由轧态的0∙76升高到650℃ 和700℃回火时的0∙95． 2∙2 回火过程中的组织演变 回火前后各试样在扫描电镜下的显微组织照片 如图2所示．从图2中可以看出回火前后的组织变 化情况．回火前试样的显微组织主要是由粒状贝氏 体组成组织中岛状组织的含量较高且较粗大如图 2（a）所示．对岛状相的进一步研究发现该岛状相 由 M／A 两相组成．在贝氏体相变过程中C 原子不 断地从贝氏体基体向奥氏体中扩散使得剩余奥氏 体内逐渐富碳但岛内的碳含量富集程度尚不够达 到能析出碳化物的水平故成为富碳奥氏体岛在冷 却过程中一部分将转变成马氏体［2］．由于钢中加入 了 B 等能够显著提高淬透性的元素又在轧后实行 了快速冷却而且冷速比较大故 M／A 组织中的马 氏体含量很高．图2（b）是图2（a）中 M／A 组织的放 大照片图中箭头所示的白色区域即为大块 M／A 岛．试样经550℃和600℃保温1h 回火后粗大的 M／A 组织开始发生初步分解如图2（c）和图2（d） 所示．从图2（d）中可以看出回火前组织中长条状 粗大 M／A 组织已经分解为略微弥散的球形颗粒 状；当回火温度继续提高到650℃和700℃时M／A 岛分解已经比较完全所得组织是粒状贝氏体以及 部分多边形铁素体如图2（e）～（h）所示．图2（f）和 图2（h）分别是图2（e）和图2（g）放大后的照片．这 说明在此温度下回火部分区域已经发生了一定的回 复尤其是在700℃回火时回复的程度比650℃时 要深因此多边形铁素体的含量比650℃回火时要 多．试样在650℃和700℃回火后多边形铁素体的 体积分数分别达到35％和55％． 图2 不同回火温度的钢板显微组织．（a）（b）未回火；（c）550℃；（d）600℃；（e）（f）650℃；（g）（h）700℃ Fig．2 Microstructures of the tested steel at different tempering temperatures：（a）（b） as-rolled；（c）550℃；（d）600℃；（e）（f）650℃；（g） （h）700℃ 2∙3 回火前后的析出物 微合金元素的析出过程一般包括微合金元素的 偏聚和析出相的形核、长大、粗化四个阶段．制取金 属碳萃取复型试样在 JEM－2000FX 透射电子显微 第8期 陈林恒等： 回火温度对600MPa 级低碳贝氏体钢组织和力学性能的影响 ·985·
.986 北京科技大学学报 第31卷 镜下对未回火试样和在600℃时的回火试样中的析 常数比较接近，且因钢中存在的Nb(C,N)和Ti(C, 出物进行了分析，析出粒子的形貌、能谱及衍射斑如 N)粒子在整个固态范围内均可以完全互溶，故图 图3所示.虽然回火前后试样中析出粒子尺寸都在 3(a)中箭头所指粒子可认为是复合析出粒子(Nb, 十几纳米至几十纳米甚至上百纳米不等，但回火前 Ti)(N,C). 析出粒子的尺寸主要为20~50nm,如图3(a)所示. 试样经600℃、保温1h热处理后，析出粒子比 图3(a)中箭头所指粒子的能谱和衍射花样如图 未回火时更多且更弥散，如图3(d)所示；除原有尺 3(b)和(c)所示，图3(b)中能谱显示析出粒子主要 寸较大的粒子外，还出现了大量的尺寸在20nm以 是Nb和Ti的碳氨化物析出粒子，且以Ti的析出为 下的粒子，如图3(e)中箭头所示；图3(f)能谱显示 主，图3(c)中衍射花样证明该粒子为典型的面心立 小尺寸粒子虽也是Nb、Ti的复合析出粒子 方结构，因Nb(C,N)和Ti(C,N)在室温下的晶格 (Nb,Ti)(C,N),但明显是以Nb的析出为主. (a) 100c (b) (c) 80 Cu 20 Cu 50 nm 2 6 1012 川 能量keV (c) (f) 100 60 40F W 20 Nb 200nm 50 nm 12 16 能量kcV 图3回火前后试样中的析出物形貌、能谱和衍射斑.(a)回火前形貌：(b)回火前能谱：()回火前衍射斑：(d),(e)6O0℃回火后粒子形貌： ()600℃回火后粒子能谱 Fig.3 TEM images,energy spectra and diffraction pattern of the precipitates:(a)particle morphology asrolled:(b)energy spectrum of particles as-rolled:(c)diffraction pattern of particles as rolled:(d).(e)particle morphology after tempering at 600C:(f)energy spectrum of particles af- ter tempering at600℃ 3分析与讨论 变形行为更加协调，在一定程度上也对屈服强度的 升高有所贡献，且这种协调性对伸长率的提高也有 在回火过程中最主要的变化就是大块M/A岛 一定的积极影响，但这种影响对M/A组织的分解 的分解和大量更加细小弥散的粒子析出，而硼和大 程度的依赖性较大，因此在650℃以下温度回火时， 量增加淬透性的元素的加入以及轧后的快速冷却使 伸长率升高不明显，进一步提高回火温度（如650℃ 得M/A组织中的马氏体含量占绝对优势，因此在 和700℃)，软化作用则比较明显，这种软化主要是 回火过程中作为强硬相的M/A岛的大量分解必然 由于一部分位错消失和显微组织的演变造成的，贝 导致抗拉强度的降低，回火后，除原有析出粒子外， 氏体和马氏体的复相组织是一种非平衡组织，在回 大量尺寸在20nm以下的(Nb,Ti)(C,N)粒子的弥 火过程中必然有着向平衡组织转变的趋势，这种转 散析出是导致屈服强度上升的主要原因，而M/A 变是以回复、再结晶方式进行的，即以位错的消失、 岛状组织的分解使得基体和硬质相在外力作用下的 复合和重组等过程为前提句)].消失的部分位错是
镜下对未回火试样和在600℃时的回火试样中的析 出物进行了分析析出粒子的形貌、能谱及衍射斑如 图3所示．虽然回火前后试样中析出粒子尺寸都在 十几纳米至几十纳米甚至上百纳米不等但回火前 析出粒子的尺寸主要为20～50nm如图3（a）所示． 图3（a）中箭头所指粒子的能谱和衍射花样如图 3（b）和（c）所示．图3（b）中能谱显示析出粒子主要 是 Nb 和 Ti 的碳氮化物析出粒子且以 Ti 的析出为 主图3（c）中衍射花样证明该粒子为典型的面心立 方结构因 Nb（CN）和 Ti（CN） 在室温下的晶格 常数比较接近且因钢中存在的 Nb（CN）和 Ti（C N）粒子在整个固态范围内均可以完全互溶故图 3（a）中箭头所指粒子可认为是复合析出粒子（Nb Ti）（NC）． 试样经600℃、保温1h 热处理后析出粒子比 未回火时更多且更弥散如图3（d）所示；除原有尺 寸较大的粒子外还出现了大量的尺寸在20nm 以 下的粒子如图3（e）中箭头所示；图3（f）能谱显示 小尺 寸 粒 子 虽 也 是 Nb、Ti 的 复 合 析 出 粒 子 （NbTi）（CN）但明显是以 Nb 的析出为主． 图3 回火前后试样中的析出物形貌、能谱和衍射斑．（a）回火前形貌；（b）回火前能谱；（c）回火前衍射斑；（d）（e）600℃回火后粒子形貌； （f）600℃回火后粒子能谱 Fig．3 TEM imagesenergy spectra and diffraction pattern of the precipitates：（a） particle morphology as-rolled；（b） energy spectrum of particles as-rolled；（c） diffraction pattern of particles as-rolled；（d）（e） particle morphology after tempering at600℃；（f） energy spectrum of particles after tempering at 600℃ 3 分析与讨论 在回火过程中最主要的变化就是大块 M／A 岛 的分解和大量更加细小弥散的粒子析出而硼和大 量增加淬透性的元素的加入以及轧后的快速冷却使 得 M／A 组织中的马氏体含量占绝对优势因此在 回火过程中作为强硬相的 M／A 岛的大量分解必然 导致抗拉强度的降低．回火后除原有析出粒子外 大量尺寸在20nm 以下的（NbTi）（CN）粒子的弥 散析出是导致屈服强度上升的主要原因而 M／A 岛状组织的分解使得基体和硬质相在外力作用下的 变形行为更加协调在一定程度上也对屈服强度的 升高有所贡献且这种协调性对伸长率的提高也有 一定的积极影响但这种影响对 M／A 组织的分解 程度的依赖性较大因此在650℃以下温度回火时 伸长率升高不明显．进一步提高回火温度（如650℃ 和700℃）软化作用则比较明显这种软化主要是 由于一部分位错消失和显微组织的演变造成的．贝 氏体和马氏体的复相组织是一种非平衡组织在回 火过程中必然有着向平衡组织转变的趋势这种转 变是以回复、再结晶方式进行的即以位错的消失、 复合和重组等过程为前提［4－5］．消失的部分位错是 ·986· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第8期 陈林恒等：回火温度对600MPa级低碳贝氏体钢组织和力学性能的影响 .987. 在贝氏体相变时由于体积效应产生的相变位错，该 主要原因，而大量20nm以下的(Nb,Ti)(C,N)析出 类位错比较平直，没有被钉扎，在回火过程中容易消 粒子是屈服强度上升的主要原因，较高回火温度下 失；组织演变主要是在高温回火过程中，贝氏体向更 伸长率升高明显是由部分位错的消失和部分贝氏体 加稳定的多边形铁素体转变，即发生了一定程度的 组织的多边形回复所引起的软化造成的. 回复作用.因此，这种软化作用使得伸长率升高较 明显，由回火前的16%增加到700℃回火时的 参考文献 20%,同时也使抗拉强度降至最低·另外，随着回火 [1]Rodrigus P C M,Pereloma E V,Santos D B.Mechanical proper- 温度的升高，部分析出粒子出现一定程度的粗化，因 ties of HALA bainitic steel subjected to controlled rolling with ae 此屈服强度会有所下降；但与回火前相比，屈服强度 celerated cooling.Mater Sci Eng A.2000.283:136 不降反升的原因主要是这种软化并不能抵消因析出 [2]Li HL.Guo S W.Feng Y R.et al.Microscopic Structure and 而产生的强化作用， Identification Atlas of High Strength Microalloyed Pipeline Steel.Beijing:Petroleum Industry Press.2001:8 4结论 (李鹤林，郭生武，冯耀荣，等高强度微合金管线钢显微组织分 析与鉴别图谱-北京：石油工业出版社，2001：8) (I)基于CSP流程生产Fe一Mn Nb B系低碳 [3]Krauss G.Thomposon T W.Ferritic microstructure in continu- 贝氏体高强钢，轧后快冷后，可得到含有较高含量粗 ously cooled low and ultralow carbon steels.ISIJ Int.1995,35; 大M/A岛的粒状贝氏体组织；屈服强度和抗拉强 937 [4]Shibata K,Asakura K.Transformation behavior and microstruc- 度分别达到630MPa和825MPa, ture in ultra-low carbon steels.ISIJ Int,1995,35:982 (2)回火对钢的屈服强度和抗拉强度影响均较 [5]Fujiwara K.OkaguchiS,Ohtani H.Effect of hot deformation on 大，回火后屈服强度有不同程度的提高，而抗拉强 bainite structure in low carbon steels.ISIJ Int,1995,35:1006 度则有不同程度的下降，回火温度较低时，伸长率 [6]Kang Y L.Chen QJ.Wang K L,et al.Study on heat treatment 虽有所提高但幅度不大，随着回火温度的升高，伸长 process of the 700 MPa grade low carbon bainitic steel.Trans 率增加较为明显，回火温度在650~700℃时可获 Mater Heat Treat.2005.26(3):96 (康永林，陈庆军，王克鲁，等.700MPa级低碳贝氏体钢的热处 得较为优良的综合性能 理工艺研究.材料热处理学报，2005,26(3)：96) (3)回火后组织中M/A岛状组织发生了分解， [7]Yang S W,Shang C J.He X L.Stability of ultrafine microstrue- 且随着回火温度的提高，M/A岛状组织分解更彻 tures during tempering.J Univ Sci Technol Beijing,2001. 底；回火前，析出粒子主要是尺寸为20~50nm的复 8(3):119 合析出物(Ti,Nb)(C,N);回火后，除原有析出粒子 [8]Wu H B.Yang S W.Tang D.et al.Thermo-stability of ultra fine microst ructures in low carbon microalloyed steel.Heat Treat 外，还出现了大量的尺寸在20nm以下的以Nb析 Me,2007,32(9):41 出为主的复合析出粒子(Nb,Ti)(C,N) (武会宾，杨善武，唐获，等低碳微合金钢中超细组织的热稳定 (4)大块M/A组织的分解是抗拉强度下降的 性研究，金属热处理，2007,32(9)：41)
在贝氏体相变时由于体积效应产生的相变位错该 类位错比较平直没有被钉扎在回火过程中容易消 失；组织演变主要是在高温回火过程中贝氏体向更 加稳定的多边形铁素体转变即发生了一定程度的 回复作用．因此这种软化作用使得伸长率升高较 明显由回火前的 16％ 增加到 700℃ 回火时的 20％同时也使抗拉强度降至最低．另外随着回火 温度的升高部分析出粒子出现一定程度的粗化因 此屈服强度会有所下降；但与回火前相比屈服强度 不降反升的原因主要是这种软化并不能抵消因析出 而产生的强化作用． 4 结论 （1） 基于 CSP 流程生产 Fe－Mn－Nb－B 系低碳 贝氏体高强钢轧后快冷后可得到含有较高含量粗 大 M／A 岛的粒状贝氏体组织；屈服强度和抗拉强 度分别达到630MPa 和825MPa． （2） 回火对钢的屈服强度和抗拉强度影响均较 大．回火后屈服强度有不同程度的提高而抗拉强 度则有不同程度的下降．回火温度较低时伸长率 虽有所提高但幅度不大随着回火温度的升高伸长 率增加较为明显．回火温度在650～700℃时可获 得较为优良的综合性能． （3） 回火后组织中 M／A 岛状组织发生了分解 且随着回火温度的提高M／A 岛状组织分解更彻 底；回火前析出粒子主要是尺寸为20～50nm 的复 合析出物（TiNb）（CN）；回火后除原有析出粒子 外还出现了大量的尺寸在20nm 以下的以 Nb 析 出为主的复合析出粒子（NbTi）（CN）． （4） 大块 M／A 组织的分解是抗拉强度下降的 主要原因而大量20nm 以下的（NbTi）（CN）析出 粒子是屈服强度上升的主要原因．较高回火温度下 伸长率升高明显是由部分位错的消失和部分贝氏体 组织的多边形回复所引起的软化造成的． 参 考 文 献 ［1］ Rodrigus P C MPereloma E VSantos D B．Mechanical properties of HALA bainitic steel subjected to controlled rolling with accelerated cooling．Mater Sci Eng A2000283：136 ［2］ Li H LGuo S WFeng Y Ret al．Microscopic Structure and Identification Atlas of High Strength Microalloyed Pipeline Steel．Beijing：Petroleum Industry Press2001：8 （李鹤林郭生武冯耀荣等．高强度微合金管线钢显微组织分 析与鉴别图谱．北京：石油工业出版社2001：8） ［3］ Krauss GThomposon T W．Ferritic microstructure in continuously cooled low and ultralow carbon steels．ISIJ Int199535： 937 ［4］ Shibata KAsakura K．Transformation behavior and microstructure in ultra-low carbon steels．ISIJ Int199535：982 ［5］ Fujiwara KOkaguchi SOhtani H．Effect of hot deformation on bainite structure in low carbon steels．ISIJ Int199535：1006 ［6］ Kang Y LChen Q JWang K Let al．Study on heat treatment process of the 700MPa grade low carbon bainitic steel．T rans Mater Heat T reat200526（3）：96 （康永林陈庆军王克鲁等．700MPa 级低碳贝氏体钢的热处 理工艺研究．材料热处理学报200526（3）：96） ［7］ Yang S WShang C JHe X L．Stability of ultrafine microstructures during tempering． J Univ Sci Technol Beijing2001 8（3）：119 ［8］ Wu H BYang S WTang Det al．Thermo-stability of ultrafine microstructures in low carbon microalloyed steel．Heat T reat Met200732（9）：41 （武会宾杨善武唐荻等．低碳微合金钢中超细组织的热稳定 性研究．金属热处理200732（9）：41） 第8期 陈林恒等： 回火温度对600MPa 级低碳贝氏体钢组织和力学性能的影响 ·987·