9/9Q690高強(qiáng)鋼的QPT熱處理工藝3.1熱處理工藝介紹在借助于化學(xué)作用和機(jī)械作用，金屬材料性能還不能完全滿足工程需求[61]。所以只有通過(guò)改變金屬材料及合金的微觀結(jié)構(gòu)組織，并通過(guò)人為的改變熱作用來(lái)獲得理想的工藝性能。熱處理工藝之所以存在的目的[62]，是為了充分改善材料的工藝性能，從微觀方面，通過(guò)顯微結(jié)構(gòu)的改變從而激發(fā)材料本身存在的潛能，提高了材料的適用范疇。圖3-1鐵碳相圖在熱軋加工過(guò)程中，為了達(dá)到一定的塑性，必須將材料加熱到一定的溫度，這樣才能避免破壞性的軋制，這也是冶金過(guò)程中最重要的工序步驟[63]。熱處理的過(guò)程很簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)而概括為三個(gè)步驟——加熱、保溫、冷卻。通過(guò)不同時(shí)間內(nèi)金屬材料所處環(huán)境的溫度改變，從而改變其顯微結(jié)構(gòu)組織。這樣就能改變其基本的力學(xué)性能，達(dá)到工程機(jī)械上材料的工藝需求。熱處理改善了工件內(nèi)部的構(gòu)造，而外觀未產(chǎn)生明顯變化，故通常需要借助顯微鏡來(lái)觀察金相。圖3-2加熱爐圖3-3保溫回火爐在對(duì)材料進(jìn)行熱處理時(shí)[64]，對(duì)操作過(guò)程中參數(shù)的控制很重要，它們直接影響了熱處理后金屬材料的使用性能。這些影響熱處理結(jié)果的參數(shù)主要有：時(shí)間、介質(zhì)、溫度等。（1）加熱溫度。在熱處理工程中，通過(guò)改變溫度，高溫加熱，使金屬材料達(dá)到相變溫度以上。因?yàn)?，要使材料的性能發(fā)生變化，就要使其結(jié)構(gòu)組織會(huì)產(chǎn)生變化，這就需要其在一定的溫度下保溫一段時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)中有通過(guò)改變工藝中不同的溫度，檢測(cè)器機(jī)械性能來(lái)辨別材料是否滿足理想性能。（2）冷卻過(guò)程。不同的處理工藝、金屬材料的種類以及尺寸需要不同的冷卻速度。（3）熱處理介質(zhì)，分為加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)。加熱介質(zhì)保護(hù)工件防止脫碳氧化，另外可以保持碳勢(shì)，此外還有保護(hù)性氣氛。冷卻介質(zhì)用于熱處理的淬火冷卻過(guò)程，大致分為空氣、水及水溶液淬火劑以及其他鹽類等，它可以保證工件在冷卻時(shí)達(dá)到設(shè)定的冷卻溫度。本實(shí)驗(yàn)依據(jù)Q690鋼的處理工藝使用水作為冷卻介質(zhì)。另外，值得注意的是熱處理過(guò)程中加熱溫度的監(jiān)測(cè)和保溫時(shí)間的控制[65]：（1）以儀表溫度為據(jù)。熱處理過(guò)程中，以儀表顯示的溫度作為工件溫度。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，需將加熱爐加熱到指定溫度，等到顯示達(dá)到預(yù)設(shè)的工作溫度環(huán)境后，才能將需要的材料投入到加熱爐中。而保溫時(shí)間開(kāi)始的時(shí)間，則為加熱爐儀表再次到達(dá)預(yù)設(shè)溫度的時(shí)候。（2）加熱溫度搭配所使用的電爐依據(jù)實(shí)際操作并按指導(dǎo)書(shū)的要求進(jìn)行。因?yàn)榧訜釡囟绕突蚱叨紩?huì)影響得到的組織性能。（3）保溫時(shí)間同樣需要嚴(yán)格控制。（4）熱處理保溫需經(jīng)過(guò)一個(gè)均溫階段，爐內(nèi)達(dá)到均溫后，才開(kāi)始計(jì)時(shí)保溫時(shí)間。對(duì)使用于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼的工藝有淬火、正火、回火等。生產(chǎn)制造中常將船舶用鋼進(jìn)行熱軋或正火后作為其出廠狀態(tài)，某些通艙管件、杯型管節(jié)等使用的船用高強(qiáng)度鍛鋼需使用淬火及回火工藝得到高強(qiáng)度、高韌性以及優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，為了獲得良好的機(jī)械性能，許多船用高強(qiáng)鋼采用多種熱處理方式結(jié)合的辦法。針對(duì)本課題研究對(duì)象Q690鋼而言，適宜使用的熱處理工藝有正火、淬火以及回火（包括中溫回火及高溫回火）。就正火而言，需將Q690鋼加熱至Ac3（約860℃）以上30~50℃，然后在保溫規(guī)定的時(shí)間后，采用空冷的辦法對(duì)其進(jìn)行冷卻降溫。Q690鋼的淬火處理通常將其加熱到Ac3（約860℃）以上溫度，保溫一段時(shí)間后，室溫下使用淬火油或者含10%NaCl的鹽水將其冷卻至室溫。一般的，金屬材料如Q690經(jīng)過(guò)淬火后，需要再一次把材料加熱并保溫一段時(shí)間然后空冷，從而降低其淬火形成的內(nèi)應(yīng)力和脆性，也就是回火處理。本實(shí)驗(yàn)采用了三種不同的回火溫度進(jìn)行試驗(yàn)，分別為屬于低中溫回火的范疇。在高溫回火時(shí)，應(yīng)進(jìn)行快速冷卻，其內(nèi)部含有的微量元素錳會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生回火脆性。圖3-4碳含量及回火溫度對(duì)鋼的斷裂脆性影響在生產(chǎn)生活中，因?yàn)椴煌袠I(yè)不同材料使用的目的不同，所以采用的熱處理工藝和參數(shù)是有很多區(qū)別。但歸其根本，熱作用的過(guò)程都可以通過(guò)一些基本參數(shù)如加熱溫度、冷卻介質(zhì)、保溫時(shí)間和升降溫速度來(lái)描述。3.2合金元素對(duì)熱處理的影響合金元素對(duì)材料的高溫性能起決定性作用，且由于動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和形核效應(yīng)，合金元素對(duì)鋼的淬透性有所增加。常見(jiàn)的合金元素有錳硅鉻等[66]。錳的加入能夠有效地提高鋼的硬度和強(qiáng)度。低碳鋼而言，錳強(qiáng)化作用較弱，而沖擊韌性隨著含錳量的增加而降低，同時(shí)錳元素能顯著降低鋼的導(dǎo)熱性。值得注意的是，錳鋼容易過(guò)熱，從而必須嚴(yán)格控制溫度制度和加熱時(shí)間，不然容易淬裂。由于含錳多，鋼錠表面層粗大晶粒較多，晶粒周?chē)嬖诰W(wǎng)狀碳化物，使鋼變形抗力增大，所以在開(kāi)始加工時(shí)的壓下量要小，以防止粗大晶粒裂開(kāi)，含錳量不高的低碳鋼和中碳鋼的熱加工是沒(méi)有困難的。硅是鋼的良好脫氧劑，硅能提高鋼的硬度和強(qiáng)度。但含硅量較高時(shí)，會(huì)急劇地降低鋼的延伸率和斷面收縮率。硅鋼的導(dǎo)熱率（特別是低溫）較小，在高溫加熱時(shí)，脫碳及晶粒長(zhǎng)大的傾向較大，在軋制前的加熱過(guò)程需防止造成脫碳現(xiàn)象。鉻對(duì)提高鋼的機(jī)械與物理性能有很大影響。碳鋼中加鉻能促進(jìn)塑性（斷面收縮率、延伸率）有些提高。但在一系列的奧氏體合金中含有一定數(shù)量的鉻容易形成過(guò)剩的鐵素體（α相），從而降低鋼的塑性。由于鉻和碳能夠生成硬的碳化物，在加工時(shí)，需要很大的變形程度才能將這些碳化物壓碎。3.3Q-P-T工藝的提出殘余奧氏體的存在，可有效改善金屬材料的塑性和韌性。在20世紀(jì)通過(guò)奧氏體熱穩(wěn)定化技術(shù)，有效的減少了鋼件在淬火時(shí)的變形。Speer等人提出的Q&P工藝以TRIP鋼成分為研究對(duì)象[67]，是基于碳從馬氏體向奧氏體擴(kuò)散分配的熱力學(xué)模型，雖然得到了具有良好的綜合力學(xué)性能的高強(qiáng)鋼，但是，由于其忽略了碳化物的彌散析出，其本身沒(méi)有充分挖掘碳化物的析出強(qiáng)化作用。本文根據(jù)徐祖耀等發(fā)展的淬火-分配-回火（Q-P-T）（quenching-partitioning-tempering,Q-P-T）熱處理新工藝,旨在強(qiáng)調(diào)通過(guò)加入碳化物形成的合金元素以進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度，這種創(chuàng)新有利于工藝上時(shí)間和溫度再分配。本章以海洋用低合金高強(qiáng)鋼Q690為研究對(duì)象，通過(guò)建議的力學(xué)性能和微觀組織的觀察，比較了經(jīng)Q-P-T處理過(guò)的高強(qiáng)鋼其性能的改變。Q-P-T熱處理工藝的設(shè)計(jì)處理[68]：馬氏體的含量和淬火溫度（QT）的大小是鋼材強(qiáng)度等機(jī)械性能變化的主要成因。因此加熱至共析溫度以上，使其奧氏體化，然后再使用淬火工藝來(lái)獲取適量的馬氏體。隨后開(kāi)始出現(xiàn)碳的擴(kuò)散，由馬氏體轉(zhuǎn)入附近的奧氏體中，馬氏體形成板條狀。而且在淬火期間，馬氏體自身也會(huì)沉淀出過(guò)度碳化物。為了出現(xiàn)更多的富碳?xì)堄鄪W氏體，碳分配在較高的溫度下進(jìn)行。最后水淬至室溫。熱處理的示意圖如圖3-5所示。圖3-5Q-P-T處理金屬材料中馬氏體的含量以及殘余奧氏體的含量和碳含量是由淬火、碳分配和回火的溫度和時(shí)間決定的。他們的含量也影響了金屬材料的塑性、韌性以及硬度強(qiáng)度等力學(xué)性能。3.2.1淬火工藝馬氏體相變是指鋼在奧氏體化后快速冷卻，然后再低溫的情況下展開(kāi)無(wú)擴(kuò)散型的相變。并且鋼的熱處理的最主要手段就是馬氏體相變轉(zhuǎn)化，這種工藝也就是淬火。淬火在金屬熱處理工藝中重要的存在，是將鋼鐵等金屬材料加熱到臨界溫度后，保溫一定的時(shí)間，然后按照一定的速度冷卻的工藝。通過(guò)淬火工藝的鋼的微觀組織先奧氏體化，然后轉(zhuǎn)變獲得馬氏體，獲得理想的強(qiáng)度和剛度。另外，回火工藝是與淬火工藝的后續(xù)工作，通過(guò)結(jié)合不同的回火溫度，工程上可得到不同塑性、剛度和強(qiáng)度，提高了材料的使用。例如，經(jīng)淬火的高碳鋼與低溫回火相結(jié)合，可以得到較突出的耐磨性和高的硬度性能：而結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)該熱處理后可使綜合性能全面的提高。另外，冷卻也是淬火的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它是決定淬火后材料質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素。因此，合理地選擇淬火介質(zhì)也是每次操作中必須仔細(xì)考慮的問(wèn)題。較好的冷卻介質(zhì)可獲得良好的冷卻速度，冷卻速度一般必須大于臨界速度，這樣才能在熱處理工藝中保證獲得馬氏體組織。值得注意的是，為了防止珠光體的產(chǎn)生，在過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域是要快速冷卻。生產(chǎn)中常用的淬火冷卻介質(zhì)有水、油、堿水和鹽水等。最常見(jiàn)的冷卻介質(zhì)是水，相比于其他材料，它的易得易制，且沒(méi)有污染，冷卻速度較快。但是其在使用時(shí)溫度不能超過(guò)，不然會(huì)影響它的冷卻能力。并且在低溫的情況下，其冷卻能力過(guò)強(qiáng)，容易使材料發(fā)生開(kāi)裂變形。故工業(yè)用水冷卻多數(shù)還是用在截面尺寸大或形狀簡(jiǎn)單的碳鋼上。本文研究的Q690鋼板為低合金高強(qiáng)鋼，其含碳量為0.15wt%，由于較低的含碳量，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)Q-P-T工藝處理后的室溫下殘余奧氏體的含量不會(huì)很多。對(duì)此，為了提高殘余奧氏體的含量，需要選擇合理的熱處理工藝參數(shù)。淬火溫度、碳分配溫度及時(shí)間是主要的幾個(gè)參數(shù)，其中，初始淬火溫度的選擇尤為重要：淬火溫度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致一步淬火后奧氏體的含量減少，即使再次水淬到室溫后全部保存下來(lái)，殘余奧氏體的含量也不會(huì)高；反之，如若淬火溫度過(guò)高，盡管一步淬火后奧氏體量充足，但是較少的馬氏體導(dǎo)致碳分配后的奧氏體中含碳量仍舊不足，進(jìn)一步水淬到室溫的過(guò)程中奧氏體因?yàn)椴环€(wěn)定再次發(fā)生馬氏體相變而依然導(dǎo)致奧氏體的量不足。所以本實(shí)驗(yàn)設(shè)奧氏體化溫度為930℃，水淬時(shí)間為20秒。3.2.2回火工藝回火也是熱處理強(qiáng)化金屬材料的一種手段，將淬火鋼加熱至以下的溫度并保溫再冷卻?；鼗鸸に嚨膹V泛使用，加強(qiáng)了金屬使用性能，使得鋼制機(jī)械零件和工件模具的使用壽命得到提高。淬火形成的馬氏體強(qiáng)度較高，故通過(guò)回火消除應(yīng)力，分解殘余奧氏體和從馬氏體中析出碳化物。金屬回火有三個(gè)主要目的：（1）消除或減少淬火鋼件的內(nèi)應(yīng)力：鋼件淬火時(shí)會(huì)存在殘余應(yīng)力，主要分為組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。另外，有顯微裂紋存在片狀馬氏體中。顯微裂紋和殘余應(yīng)力的存在可使鋼變脆，未經(jīng)回火的零件一般不能使用。（2）調(diào)整性能：由于鋼經(jīng)過(guò)淬火后，其內(nèi)應(yīng)力較大，會(huì)得到較高的硬度和強(qiáng)度，但其它性能如延展性和沖擊韌性都比較低。只有通過(guò)回火處理調(diào)整期顯微結(jié)構(gòu)的含量與分布，才能保證金屬鋼件能獲得所需的工藝性。（3）穩(wěn)定組織和尺寸：通過(guò)回火，可使馬氏體和殘余奧氏體充分分解，從而起到穩(wěn)定鋼件組織和尺寸作用。本實(shí)驗(yàn)中回火溫度為300℃，保溫半小時(shí)后空冷。3.5機(jī)械性能結(jié)果分析經(jīng)Q-P-T工藝處理后的性能比較，拉伸曲線如下圖3-6所示。圖3-6不同熱處理工藝下試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖為了更加準(zhǔn)確的表達(dá)材料的性能，這里引入強(qiáng)塑積這個(gè)概念，也稱靜態(tài)韌度。顧名思義，強(qiáng)塑積的值就是金屬材料拉伸試樣所測(cè)得的抗拉強(qiáng)度和其塑性伸長(zhǎng)率的乘積，表示了外力所做的功或材料在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所吸收的能量。從圖上我們可以近似的理解為應(yīng)力應(yīng)變曲線所包圍的面積。具體數(shù)值見(jiàn)表3.1。表3.1不同熱處理工藝下試樣的性能試樣Rp0.2(MPa)Rm(MPa)A%沖擊韌性J/cm2硬度HRC強(qiáng)塑積(MPa·%)Q690701.5422760.848912.65209155258382.784QPT6901112.4971285.9078.225115.6738.510576.83油淬60s1080.7811243.5462.6578.6934.93295.403.6本章小結(jié)鋼鐵經(jīng)過(guò)Q-P-T熱處理后會(huì)有一定的殘余奧氏體殘留，這可以有效的改善高強(qiáng)鋼的韌性問(wèn)題。試驗(yàn)中研究了Q690和QPT690兩種鋼的機(jī)械性能，Q690的屈服強(qiáng)度701.5422MPa、抗拉強(qiáng)度為760.84MPa，其強(qiáng)塑積為83