1、DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN 1674-0971.2022.4053前 言在 过 去 的 近 二 十 年 里，具 有 多 相 微 观 结 构 的HSLA 贝 氏 体 钢 得 到 了 广 泛 的 研 究，这 些 钢 具 有 较高 抗 拉 强 度、良 好 的 韧 性 和 可 焊 性 1。这 种 优 良 的综 合 力 学 性 能 使 它 们 在 汽 车 用 钢、天 然 气 和 石 油 大直 径 管 道 运 输、工 程 机 械 结 构 用 钢、海 洋 工 程 等 领域得到大量应用。通 过 选 择 不 同 的 化 学 成 分、热 机 械 加 工 方 式 和冷 却 参 数 进 行 搭
2、配 组 合，可 以 生 成 多 种 由 多 边 形 铁素 体、珠 光 体、贝 氏 体 和 马 氏 体 等 微 观 组 织 构 成 的HSLA 低 碳 钢。其 中 很 重 要 的 一 个 影 响 因 素 为 加速 冷 却 参 数 的 选 择，例 如 加 速 冷 却 的 初 始 温 度、结束 温 度 以 及 冷 却 速 率，同 时 钢 的 化 学 成 分 和 所 采 用的热机械加工方式也会造成一定程度的影响 2。控 制 轧 制 后 的 加 速 冷 却 可 以 产 生 细 小 的 组 织结 构，并 有 利 于 低 温 转 变 组 织 的 产 生，如 贝 氏 体 和马氏 体-奥氏 体(MA)组织 等。
3、此前 大多 数研 究旨 在讨 论 对 加 速 冷 却 过 程 中 的 微 观 组 织 的 转 变，但 是，有 关 加 速 冷 却 参 数 对 钢 材 组 织 和 机 械 性 能 的 影 响的 研 究 较 为 有 限。本 次 试 验 的 目 的 是 研 究 冷 却 开始 温 度 和 冷 却 速 率 对 HSLA 低 碳 贝 氏 体 钢 的 组 织和 机 械 性 能（屈 服 强 度、抗 拉 强 度 和 伸 长 率）的 影响，并讨 论它们之间的内在关联。1 试验过程试 验 材 料 的 化 学 成 分 如 表 1 所 示，该 钢 含 有21 ppm 的 B，并 采 用 Nb、Ti 合 金 元 素 进
4、行 微 合 金加速冷却参数对控轧 HSLA 贝氏体钢组织和性能的影响李淼 肖彦忠 倪法麟 邓杭州 周敏（安阳钢铁股份有限公司，河南 安阳 455004）摘 要：通 过 使 用 控 制 轧 制 和 加 速 冷 却 技 术 来 研 究 HSLA 低 碳 贝 氏 体 钢 的 微 观 结 构 和 机 械 性 能，并 分 别 测试 不 同 的 冷 却 开 始 温 度、冷 却 速 率 等 工 艺 参 数 对 钢 板 最 终 微 观 结 构 和 机 械 性 能 的 影 响。同 时 利 用 光 学 显 微镜和电子透射显微镜评估由多边形铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体/残余奥氏体组成的复杂微观结构。关键词：贝氏体
5、钢；控制轧制；加速冷却；机械性能；微观组织结构中图分类号：TF 19 文献标志码：B 文章编号：1674-0971（2022）-004-04Influence of accelerated cooling parameters on microstructureand properties of controlled rolled HSLA bainitic steelLi Miao,Xiao Yanzhong,Ni Falin,Deng Hangzhou,Zhou Min（Anyang Iron and Steel Stock Co，Ltd，Anyang,455004,Henan,China
6、）Abstract：Controlled rolling followed by accelerated cooling was used in laboratory simulations to study themicrostructure and mechanical properties of HSLA low carbon bainitic steel.The effects of processing parameters,such as cooling start temperature and cooling rates,on the final microstructure
7、and mechanical properties were stud-ied.Optical microscopy and transmission electron microscopy were used to evaluate the complex microstructuresconsisting of polygonal ferrite,pearlite,bainite and martensite/retained austenite constituent.Keywords:bainitic steel，controlled rolling，accelerated cooli
8、ng，mechanical properties，microstructure收件日期：2022-06-20作 者 简 介：李 淼（1987），男，工 程 师，2010 年 毕 业 于 安 阳 工 学 院 机 械 工 程 系 材 料 成 型 及 控 制 工 程 专 业，现 供 职 于 安 阳 钢 铁 股 份 有 限 公 司第二炼轧厂技术质量室，主要从事轧钢工艺研究及质量控制。特钢技术Special Steel Technology第 28 卷 总第 113 期2022 年第 4 期Vol.28（113）2022.No.4化。通 过 添 加 适 量 的 B 和 较 高 的 Mn 含 量 可 以
9、大 大提 高 钢 的 淬 透 性，有 利 于 形 成 含 有 贝 氏 体 的 多 相 显微组织。试 验 过 程 在 3500 mm 炉 卷 轧 机 上 进 行，将 钢 坯加 热 到 1200 左 右，并 保 持 一 定 时 间。控 制 轧 制分 为 两 阶 段，粗 轧 阶 段（临 界 温 度 以 上）压 下 率 50%，精 轧 阶 段 压 下 率 60%，终 轧 温 度 800 以上，钢 板 通 过 高 密 度 U 形 管 层 流 装 置 进 行 冷 却。为研 究 加 速 冷 却 参 数 对 钢 板 组 织 和 性 能 的 影 响，设 定如下（图 1 所示）：1.冷却速率（tr）：0.5、3、
10、10、15、20、30/S2.加速冷却开始温度（Ti）：780、730、680 金 相 检 验 试 样 是 通 过 传 统 的 抛 光 技 术 制 备 的，用 2%硝 酸 酒 精（2%硝 酸 和 98%甲 醇/乙 醇）蚀 刻 抛光 的 样 品，并 通 过 光 学 和 扫 描 电 子 显 微 镜(SEM)检查 轧 制 样 品 的 横 截 面。拉 伸 试 验 在 室 温 下 的 MTS液压机中进行。2 试验结 果和讨论2.1 加速冷 却参数对最终显微组织的影响实 验 中 临 界 温 度 值 为 Tnr=940 10，Ar 3=760 10，冷 却 速 率 等 于 3/S，贝 氏 体 组 织 转 变
11、开始温度为 Bs=640 10。图 2 显 示 了 根 据 不 同 冷 却 速 率 而 形 成 的 具 有代 表 性 微 观 组 织 结 构。在 缓 慢 的 冷 却 速 率 下 存 在大 量 的 多 边 形 铁 素 体（在 0.5/S 时 高 达 90）（图2 a)，而 以 较 高 冷 却 速 率 获 得 的 样 品 中 则 包 含 大 量的贝氏体组织（图 2 b 和 c)和马氏体组织（图 2 d)。在 钢 板 经 过 轧 制 后，从 730 开 始 冷 却 时，随着 冷 却 速 率 从 3/S 增 加 到 15/S，微 观 组 织 结 构中 粒 状 贝 氏 体 的 体 积 分 数 增 加 至
12、 60-70。同 时，多 边 形 铁 素 体 的 体 积 分 数 降 低 到 12-20，这 是 因为 高 冷 却 速 率 下 铁 素 体 转 变 被 抑 制，碳 原 子 通 过 晶界 扩 散 到 剩 余 的 奥 氏 体 中，增 加 了 单 位 体 积 内 的 碳原 子 浓 度，从 而 导 致 未 相 变 的 奥 氏 体 的 淬 透 性 增加。因 此，冷 却 速 率 越 高，发 生 铁 素 体 相 变 的 时 间越 短，在 这 种 作 用 下，造 就 了 大 量 来 不 及 转 变 的 奥氏 体 组 织，这 种 高 C 奥 氏 体 在 冷 却 时 一 部 分 会 转 变为 M-A 组 织，其
13、在 微 观 组 织 结 构 中 占 比 大 约9-13。贝 氏 体 和 M-A 的 形 成 伴 随 着 高 密 度 移 动位错的产生，正是这种相变机制中产生的结果。将 冷 却 速 率 固 定 为 10/S，测 试 三 种 冷 却 开 始温 度 条 件 下，Nb-Ti-B 钢 的 微 观 组 织 结 构 是 由 多 边形 铁 素 体、粒 状 贝 氏 体,并 夹 杂 少 量 M-A 岛 组 成，如图 3 所 示。图 3 a 的 下 半 部 分 呈 现 出 不 规 则 的 等 轴形 态，且 取 向 不 明 显。而 在 上 部，组 织 呈 针 状 且 更细，一 些 MA 板 条（最 大 宽 度 为 0
14、.3 毫 米）具 有 相 同的 方 向 并 且 彼 此 平 行。与 加 速 冷 却 开 始 温 度680 相 比，780 和 730 的 样 品 中 形 成 的 针 状 铁素 体 的 体 积 分 数 更 高。相 反 的 是 在 加 速 冷 却 开 始温 度 较 低 的 样 品 中，多 边 形 铁 素 体 的 含 量 较 高（图3 c)，这 是 因 为 在 加 速 冷 却 开 始 之 前，其 形 成 的 时 间较长。为 了 获 得 更 加 准 确 的 随 冷 却 速 率 演 变 的 微 观组 织 结 果，我 们 使 用 TEM 进 行 了 更 详 细 的 观 察。特钢技术 第 28 卷第 4 期
15、表 1 钢的化学成分，wt%Table 1 Chemical composition of steel，wt%C0.075Si0.25Mn1.72P0.021S0.002Nb+Ti0.045B0.0021N0.0046图 1 热机械加工示意图Fig.1 Schematic diagram of thermomechanical processing scheduleTnr-临界温度；Ti-加速冷却开始温度冷 却 速 率 为 0.5/S（a），冷 却 速 率 为 10/S（b），冷 却 速 率 为20/S（c），冷 却 速 率 为 30/S（d）。P 珠 光 体；PF 多 边 形 铁 氧 体；M
16、-A 马 氏 体-奥 氏 体 组 织；AF 针 状 铁 素 体；GB 粒 状 贝 氏 体；UB 上贝氏体；B 贝氏体；M 马氏体。图 2 控制轧制后 730 开始加速冷却，冷却速度对样品最终显微组织的影响Fig.2 Effect of cooling rate on final microstructure in samplesafter controlled rolling and accelerated cooling from 730(a)（b）（c）（d）12结 果 证 实，在 冷 却 速 度 较 低（3 10/S）的 样 品 中，主 要 相 为 多 边 形 铁 素 体、粒 状 贝 氏
17、 体 以 及 少 量 的 针状 铁 素 体。随 着 冷 却 速 度 的 增 加，粒 状 贝 氏 体 的 体积 分 数 增 加。粒 状 贝 氏 体 表 现 为 等 轴 铁 素 体 晶 粒，其 位 错 密 度 远 高 于 多 边 形 铁 素 体、马 氏 体-奥 氏 体岛 及 它 们 之 间 的 残 余 奥 氏 体 3，如 图 4 a 所 示。针 状铁 素 体 由 板 条 状 的 无 碳 化 物 铁 素 体 晶 粒 组 成，它 们之 间 有 残 留 的 奥 氏 体 或 马 氏 体 层。在 中 间 冷 却 速率（10-20/S）下，贝 氏 体 相 占 主 导 地 位，且 观 察 到不 含 碳 化 物
18、的 针 状 铁 素 体 和 含 碳 化 物 的 贝 氏 体，如图 4 b 所 示。随 着 冷 却 速 率 的 进 一 步 提 高，达 到30/S 时，钢 板 的 显 微 组 织 主 要 由 下 贝 氏 体 和 马氏 体 组 成，如 图 4 c 所 示，并 含 有 少 量 针 状 铁 素 体 和上贝氏体。2.2 加工参数对力学性能的影响三 种 加 速 冷 却 开 始 温 度 下，冷 却 速 率 对 极 限 抗拉 强 度（TS）、屈 服 强 度（YS）和 总 伸 长 率（El）的 影响如图 5、图 6、图 7 所示。在 最 慢 的 冷 却 速 度（0.5/S）下，屈 服 强 度 和 极限 抗 拉
19、强 度 具 有 与 多 边 形 铁 素 体 显 微 组 织 相 关 的最低值，相应地，伸长率超过 24。在 3-20/S 冷 却 速 率 范 围 内，样 品 强 度 的 增加 对 应 于 由 多 边 形 铁 素 体、粒 状 贝 氏 体、贝 氏 体 和M-A 岛 成 分 组 成 的 多 相 微 观 组 织 结 构。在 这 种 冷却 速 率 下，显 微 组 织 中 存 在 残 余 奥 氏 体 对 机 械 性 能有 显 着 影 响。稳 定 的 残 余 奥 氏 体 在 施 加 载 荷 后 可能 会 转 变 为 马 氏 体，并 产 生 相 变 诱 导 效 应，这 有 利于 钢 的 塑 性。同 时 由 于
20、 碳 的 富 集，残 余 奥 氏 体 的 硬度 远 高 于 铁 素 体，也 有 助 于 增 加 粒 状 贝 氏 体 样 品 的强 度。然 而，微 观 结 构 中 贝 氏 体 和 M-A 岛 的 存 在致 使 钢 的 延 展 性 下 降，这 正 是 伸 长 率 较 低 的 直 观 反映。（图 7)。在 高 冷 却 速 率(30/S）下，显 微 组 织 主 要 由 马李淼 肖彦忠 倪法麟 邓杭州 周敏：加速冷却参数对控轧 HSLA 贝氏体钢组织和性能的影响 第 28 卷第 4 期Ti=780（a）、730(b）和 680（c）.PF 多 边 形 铁 素 体；M-A 马氏体-奥氏体成分；AF 针状铁
21、素体；GB 粒状贝氏体。图 3 冷却速率 10/S 条件下，加速冷却开始温度对微观组织结构的影响Fig.3 Effect of accelerated cooling start temperature on themicrostructure in samples cooled at 10/S(a)(b)(d)冷 却 速 率 为 3/S（a），冷 却 速 率 为 15/S（b），冷 却 速 率 为30/S（c）。PF 多 边 形 铁 氧 体；GB 粒 状 贝 氏 体；AF 针 状 铁 素 体；LB下贝氏体；M 马氏体；RA 残余奥氏体。图 4.加速冷却起始温度 780 条件下，不同冷却速率的
22、TEM 显微照片Fig.4 TEM micrographs of the specimens at different coolingrates under the condition of accelerated cooling starttemperature 780(a)(b)(c)图 5 冷却速度对抗拉强度的影响Fig.5 Effect of cooling rate on the ultimate tensile strength图 6 冷却速度对屈服强度的影响Fig.6 Effect of cooling rate on the yield strength图 7 冷却速度对伸长率
23、的影响Fig.7 Effect of cooling rate on the elongation 13特钢技术 第 28 卷第 4 期氏 体 组 成，强 度 与 显 微 组 织 具 有 相 对 应 性。从730 和 780 的 曲 线 可 以 看 出，在 更 高 冷 却 速 率下，UTS 已 达 到 几 乎 与 马 氏 体 组 织 相 同 的 平 台 期。对 于 Ti=680 时，类 似 的 趋 势 更 为 明 显，证 明 这 与贝氏体和马氏体组成的微观组织结构有关。还 可 以 指 出，对 于 高 于 20/S 的 冷 却 速 率，较高 的 UTS 值 与 较 高 的 冷 却 开 始 温 度
24、 相 关，而 当 冷 却速 率 低 于 3/S 时，较 低 的 UTS 与 冷 却 开 始 温 度 较高 相 关。在 3/S 和 20/S 之 间 的 冷 却 速 率 区 间内，UTS 值 随 着 冷 却 速 率 的 增 加 而 增 加，与 冷 却 开始温度并无太大的相关性。这 种 强 度 随 着 冷 却 速 率 或 冷 却 开 始 温 度 的 增加 而 增 加 的 趋 势 是 由 于 微 观 组 织 结 构 中 多 边 形 铁素 体 的 数 量 随 着 冷 却 速 度 或 冷 却 开 始 温 度 的 增 加而 减 少。铁 素 体 形 成 的 温 度 为 760，这 允 许 加 速冷 却 开
25、始 前 显 著 增 加 多 边 形 铁 素 体 的 数 量。加 速冷 却 开 始 温 度 越 低，铁 素 体 形 成 的 时 间 越 长，体 积分数越高 4。3 结 论研 究 了 加 速 冷 却 参 数 对 Nb-Ti-B 钢 组 织 和 力学 性 能 的 影 响，并 表 明 在 最 终 显 微 组 织 中，下 贝 氏体 和 马 氏 体（冷 却 速 度 高 于 20/S）的 存 在 与 抗 拉强 度、屈 服 强 度 的 显 著 增 加 以 及 伸 长 率 的 显 著 降 低相 关，经 测 试 最 小 抗 拉 强 度 和 屈 服 强 度 分 别 可 达810 MPa 和 720 MPa。当 冷
26、却 速 率 高 于 10/S 时，虽然 冷 却 开 始 温 度 对 伸 长 率 的 影 响 不 大，但 钢 材 的 延展性恶化依然较为 突出。参考文献 1 陈忠伟,张玉柱,杨林浩.低碳贝氏体钢的研究现状与发展前景J.材料导报，2006，19(6).2 郭建良，程巨强，麻以林.冷却工艺对高强度贝氏体钢组织和性能的影响J.铸造技术，2021，（06）.3 翁余庆.加速冷却对 X 70 钢热影响区组织与韧性的影响M.金属学报,2005（04）.4 薛思毅.加速冷却钢的显微组织与强化因素J.武钢技术,1990,(12).HRX 19 钢的 成分设计介绍SUS 316 和 SUS 316 L 两 种 低
27、 强 度 不 锈 钢 用 于 充 氢 站 的 高 压 管 道 无 法 避 免 机 器 的 厚 壁 化，为 了 在 抑 制壁 厚 的 同 时 确 保 流 动 面 积，必 须 改 用 高 强 度 钢 材。目 前 日 本 开 发 的 HRX 19 具 有 SUS 316 L 大 约 1.6 倍 的 抗拉 强 度，而 且 在 高 压 氢 用 材 料 所 要 求 的 抗 氢 脆 性 能 方 面 很 优 异。特 别 是，HRX 19 钢 是 能 够 焊 接 加 工 的材 料。2014 年 HRX 19 钢 已 经 成 功 地 作 为 充 氢 站 的 高 压 氢 管 线 进 行 使 用。下 面 就 HRX
28、19 的 成 分 设 计 进 行介绍。HRX 19 钢 的 成 分 设 计 的 最 大 特 征 是 在 合 理 设 计 Ni、Cr、Mn、Mo 含 量 的 条 件 下 为 了 确 保 抗 氢 脆 性能，添 加 0.3%的 N，并 且 还 要 添 加 Nb、V 以 大 幅 度 提 高 抗 拉 强 度。HRX 19 钢，经 过 热 处 理，依 靠 N 的固 溶 强 化，Nb、V 碳 氮 化 物 的 析 出 强 化 和 细 晶 粒 化 从 而 成 为 实 现 高 强 度 化 的 奥 氏 体 系 不 锈 钢。众 所 周知，材 料 强 度 越 高，氢 脆 化 特 性 越 低。奥 氏 体 系 不 锈 钢
29、的 氢 脆 化 特 性，作 为 表 征 奥 氏 体 稳 定 性 的 指 标 之一，可 以 通 过 Ni 当 量 公 式（Ni+0.65 Cr+0.98 Mo+1.05 Mn+0.35 Si+12.6 C）整 理 得 出。对 于 在-45 以上 的 温 度 区 域 所 使 用 的 材 料 而 言，Ni 当 量 为 28.5%mass%以 上。研 究 发 现，由 于 Ni 当 量 增 加，奥 氏 体 稳定 性 提 高，不 致 引 起 形 变 诱 发 马 氏 体 转 变，因 此 不 会 出 现 氢 脆 破 坏。但 是，有 报 告 指 出，高 氮 奥 氏 体 不锈 钢 不 能 得 到 上 述 奥 氏
30、体 稳 定 性，塑 性 变 形 时 的 位 错 平 面 化 助 长 了 局 部 滑 移，氢 脆 化 特 性 存 在 恶 化 的 可能 性。堆 垛 层 错 能 越 低，越 发 容 易 发 生 位 错 平 面 化。因 此，在 塑 性 变 形 时 为 了 不 发 生 位 错 平 面 化，调 整了 Ni、Mo 的 添 加 量，不 过，这 些 元 素 添 加 量 越 多，堆 垛 层 错 能 越 上 升，但 在 吸 氢 后 的 拉 伸 试 验 时 得 到了 不 发 生 位 错 平 面 化 的 最 佳 元 素 添 加 量。而 且，为 了 提 高 抗 氢 脆 化 特 性，调 整 了 Cr、Mn 等 其 它 合 金 元素的含量，使 Ni 当量达到了 32.09 mass%以上。冶金知识 14
