论文《热处理工艺对力学性能的影响》-仁创编译转载

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　　摘要：对A724GrC钢板进行了淬回火热处理试验，研究了不同淬回火温度下其组织和力学性能的变化规律。结果表明，试验钢的最佳淬火温度为890℃，最佳回火温度为640～660℃。当回火温度高于680℃时，渗碳体快速减少，导致A724GrC钢的强度急剧下降，低于要求值以下。VC的数量变化远少于渗碳体，并不是影响强度变化的主要析出相。

　　关键词：A724GrC;回火温度;力学性能

　　A724GrC是一种微合金钢板，主要用于焊制多层压力容器[1]。多层结构相对于单层结构，在壁厚、材料的合理利用和安全性等方面有特殊的优势，因而作为压力容器的一种结构形式，在工业生产的各个领域有着广泛的应用[2-4]。该钢的交货状态通常为淬火+高温回火，要求回火温度≥620℃。与普通容器板相比，该钢强度较高，同时由于合金元素含量较低，钢板的焊接性能优良，有广阔的市场前景。

　　1试验材料和方法

　　1.1试验材料

　　A724GrC试验钢的要求：纵向冲击性能在-20℃≥40J，抗拉强度为620～760MPa，屈服强度≥485MPa，伸长率≥19%。试验钢对韧性要求相对较低，对强度要求较高，因此采用0.19wt%的碳含量，加入少量的钒元素以保证试验钢的强度。试验钢的化学成分见表1。

　　1.2试验方案

　　试验钢采用厚度为150mm坯料，TMCP轧制，加热温度1200℃，二阶段开轧温度870℃，终轧温度800℃，返红温度700℃，钢板厚度38mm。随后进行淬火+回火热处理，根据化学成分计算试验钢的Ac1为717℃，Ac3为841℃，据此制定试验方案。取轧态试样，采用热处理炉进行热处理试验，分别在890、910和930℃保温30min进行淬火，随后在640℃回火，试验方案详见表2。选取890℃淬火的试样进行系列温度回火试验，回火温度按标准要求≥620℃，分别在620～720℃回火，保温时间为50min。热处理后对钢板的横向拉伸性能和-20℃纵向冲击性能进行检测，采用金相显微镜对不同状态下的显微组织进行分析。

　　2试验结果

　　2.1淬火温度对A724GrC力学性能的影响

　　试验钢经890℃淬火/30min后，检测淬火态横向拉伸性能，其抗拉强度为958MPa，屈服强度为650MPa，伸长率为18%。将890、910和930℃淬火后的1～3号试样全部经640℃/50min回火后，各试样的力学性能如表3所示。经910、930℃淬火后，2、3号试样的强度比1号试样的强度均低10～15MPa，2、3号试样的伸长率和-20℃纵向冲击功也明显低于1号试样。加热温度越高，晶粒长大越明显，故强度和塑韧性均有所下降，而塑韧性下降的幅度更大。

　　2.2回火温度对A724GrC力学性能的影响

　　试验钢经890℃/30min淬火后进行再50min的回火试验，不同回火温度对试样力学性能的影响见图1。由图1可见，620～660℃回火，4、5号试样的强度变化不大;680℃回火时，7号试样的强度迅速下降，屈服强度和抗拉强度分别比660℃回火时的6号试样下降了84和70MPa，低于A724GrC试验钢强度标准的下限;700℃回火时，8号试样的强度进一步下降，720℃时，9号试样的强度略有回升。随着回火温度的升高，伸长率大致呈先上升后下降的趋势。620℃回火时，4号试样的伸长率仅24%;随着回火温度的升高伸长率逐渐升高，660℃比640℃回火时伸长率下降了1%，700℃时，8号试样的伸长率达到最高，为36%，随后又有所下降。不同回火温度下，-20℃冲击功均高于170J，随着回火温度的升高，呈先上升后下降的趋势，在680℃时，7号试样的-20℃冲击功达到最大值，之后逐渐下降。综上所述，640℃回火时，5号试样的屈服强度为550MPa，抗拉强度为675MPa，伸长率为31%，-20℃冲击功为201J，相对于标准要求均有充足的余量，选为最终的回火温度(虽然在660℃回火与640℃回火时的性能接近，但640℃回火更节能)。

　　2.3低温冲击试验

　　选取890℃/30min淬火+640℃/50min回火的5号试样进行了不同低温条件下的冲击试验，结果见图2。在-20～-40℃，5号试样的冲击功均保持在180J以上;在-60℃时，5号试样的冲击功下降至126J。对比可知，5号试样在不同低温试验下的冲击功均远高于标准要求的最低值40J。

　　2.4金相组织

　　图3为890℃/30min淬火试验钢的金相组织。由图3可见，组织为板条马氏体。对4～9号试样进行50min不同温度的回火试验，其金相组织见图4。由图4可见，回火组织主要是回火索氏体。随着回火温度的升高，晶界亚结构开始变得模糊，这与回火过程中α相发生回复与再结晶有关。

　　3讨论

　　金属材料的强化机制包括固溶强化、位错强化、析出强化和细晶强化等[5]。对A724GrC钢来说，淬火时冷速较快，获得具有高密度位错的马氏体组织，碳和合金元素无法及时析出，此时位错强化和固溶强化对强度起主要作用。当回火温度尚未达到再结晶温度区间，仅有部分α相发生回复与再结晶，原奥氏体晶粒并未改变，晶粒尺寸没有明显变化，故细晶强化并不是不同温度回火时强度变化的主导因素。回火时，位错密度变化主要发生在低温回火阶段，而试验温度均处于高温回火阶段，位错变化对强度的影响相对较小。当回火温度升高时，马氏体和残余奥氏体分解，碳化物在板条界面和晶界等位置析出，析出强化的作用开始凸显。回火温度试验范围较大且温度较高，此温度范围通常会有析出相的变化，采用Thermal-Cal软件对A724GrC钢的析出相进行了计算，结果如图5所示。由图可见，在试验回火温度范围内试验钢的主要析出相为渗碳体和少量的VC，在680～700℃渗碳体的数量急剧减少，700℃以上时渗碳体基本消失，这与屈服强度在680℃急剧下降、700℃进一步下降、在720℃不再下降的趋势一致，说明渗碳体是影响这一变化过程的主要因素。VC数量在680～701℃有小幅度的增加，但其摩尔分数变化约0.00025%，对性能的影响远远小于渗碳体的影响，701℃之后VC又逐渐回溶，至792℃完全消失。综上所述，680～700℃回火时，屈服强度急剧下降的主要原因是渗碳体数量急剧减少，其析出强化的作用消失所导致。A724GrC钢经过淬火+高温回火后获得的回火索氏体组织韧性较好，在-20～-60℃温度下均保持了较高的冲击功。在回火温度升高的过程中，α相的回复与再结晶和析出相的回溶均有利于冲击韧性的提高。因此，随着回火温度升高到680℃，冲击功有所提高，而回火温度继续上升进入两相区后，开始有奥氏体形核，此时形成的奥氏体主要以薄膜形式存在于板条界、板条束界和晶界等位置，且碳和合金元素富集，导致了720℃回火时试样韧性的小幅下降。

　　4结论

　　(1)随着回火温度的升高，A724GrC钢屈服强度和抗拉强度在620～660℃回火时小幅波动，随后急剧下降。伸长率随着回火温度的升高大致呈先上升后下降的趋势，最高点在700℃。随着回火温度的升高，冲击功小幅上升，在680℃时最高，随后逐渐下降。(2)经890℃淬火，再640℃回火时，A724GrC钢屈服强度为550MPa，抗拉强度为675MPa，伸长率为31%，-20℃冲击功为201J，相对于A724GrC钢标准要求均有足够的余量，选择该调质工艺为最终的热处理工艺。(3)回火温度在680～700℃时，渗碳体的快速减少是导致A724GrC钢强度急剧下降的主要原因，而VC数量较少，并不是影响强度的主要析出相。

　　作者：赵希庆 刘媛媛 方磊 夏政海 单位：运城学院 机电工程系 运城学院 数信学院 南京钢铁股份有限公司

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