随着海洋事业的发展舰船制造业对高性能船体钢厚板的需求增长,对其性能的要求也愈加苛刻。目前,国内优质船体用钢与国外先进水平仍然有较大的差距。研制高强度、高韧性、易焊接的大厚度船板,是未来船体和海洋平台用钢的发展方向^{[1, 2]}。组织和成分的设计是开发高性能船体钢的重要环节,通过贝氏体相变和Cu沉淀强化可实现HSLA系列钢高强韧性的结合。随着厚度的增大必须提高Ni等合金元素的含量,以保证厚钢板的相变组织均匀性和整体低温韧性。薄板由低碳马氏体和下贝氏体组成,厚板主要由贝氏体组成^[3-5]。研究铜时效钢的相变规律是开发高强度船体钢厚板的理论基础,可为加工制造工艺和相关的工程试验提供重要的依据。淬火冷速对厚板的淬透性和淬火组织有重要的影响,从而影响后续热处理后的钢的相变过程及性能。本文使用不同淬火介质对大尺寸全厚度钢板进行模拟工业淬火试验,结合ABAQUS有限元软件研究高强度船体钢厚板在不同冷却条件下的相变组织及精细结构特征。

实验用钢的化学成分列于表1。试验钢为典型HSLA钢,采用超低碳+Cu微合金化的合金设计思路,加入一定量的Ni、Mo、Nb等合金元素。

使用Formastor-FⅡ全自动相变仪测定试验钢的静态CCT曲线。用ABAQUS有限元软件,采用不同对流换热系数模拟200 mm×200 mm×35 mm试验钢板的淬火温度场,计算钢种各部位的冷速。模拟时使用的热物性参数,列于表2。

从原始轧态钢板上截取尺寸为200 mm×200 mm×35 mm的全厚度料块模拟工业淬火,热处理制度为900℃×1 h固溶处理,分别采用油、水和冰盐水不同介质冷却。在冷却后钢板的中间位置截取全厚度试样,测量截面硬度及观察组织。用VH-5维氏硬度计测量硬度,在试样截面上以0.5 mm间隔测量近表面到心部的维氏硬度,载荷为5 kg。将试样经打磨抛光,用3%硝酸酒精溶液腐蚀后用Olympus GX51金相显微镜观察试样截面的组织。用Lepera 试剂对试样截面进行着色腐蚀,用photoshop和Image-pro plus软件统计截面M-A组元的体积分数和平均等效直径。在钢板不同的厚度截面位置截取金属薄片,用机械研磨和电解双喷减薄制备透射试样,电解液采用6%的高氯酸酒精溶液,在HITACHI H-800透射电镜下观察精细结构,并对板条宽度进行统计(统计的板条个数约为100个)。使用FEI Quanta650扫描电镜附带的电子背散射衍射(EBSD)进行取样分析。

2 实验结果

2.1 静态CCT曲线及显微组织变化

试验钢的CCT曲线,如图1所示。冷速小于0.1℃/s时,试验钢的组织主要为先共析铁素体+珠光体;冷速为0.1℃时奥氏体在高温区发生铁素体和珠光体转变,随着温度的降低奥氏体转变停滞,当温度降到中温区间奥氏体转变为粒状贝氏体组织,如图2a所示。冷速在0.3℃/s~0.8℃/s时,由于冷却速度提高贝氏体的相变温度提高,奥氏体转变停滞现象消失,贝氏体转变量增加,图2b给出了冷速为0.8℃/s的组织。冷速高于0.8℃/s时贝氏体相变的温度变化不大,在很宽的冷速范围内得到贝氏体组织。冷速为16.2℃/s时的组织以粒状贝氏体为主(图2c);冷速达到40.5℃/s组织中有板条贝氏体组织生成(图2d)。

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图1   试验用钢的CCT曲线

Fig.1   CCT curve of the tested steel

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图2   不同冷速下CCT试样的显微组织

Fig.2   Microstructure of the CCT tested samples at different cooling rates (a) 0.1℃/s; (b) 0.8℃/s; (c) 16.2℃/s; (d) 40.5℃/s

2.2 厚板截面冷速的ABAQUS分析

由CCT曲线可知,试验钢的贝氏体转变温度区间约在600℃~400℃。利用ABAQUS模拟计算得到35 mm厚板截面结点位置的温度以及此温度区间的冷却时间,绘制出钢板截面平均冷速分布图(图3)。在贝氏体转变温度区间内,当对流换热系数较低时厚板截面冷却速度基本一致,随着对流换热系数的增大近表面的冷却速度大幅度提高,而从距表面8 mm位置冷速变化不大,均在10~20℃/s。结合图1的CCT曲线,在心部范围内主要是粒状贝氏体组织,而当近表面的冷速高于40℃/s时为板条贝氏体/板条马氏体组织,且其含量随冷速的提高而增加。厚板截面冷却速度的分布状态决定了最终截面组织结构及性能。

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图3   35 mm厚钢板截面在400℃~600℃的平均冷却速度

Fig.3   Average cooling rate of 35 mm thick steel plates between 400℃~600℃ at different sections

2.3 淬火冷速对截面硬度的影响

图4给出了试验钢经油冷、水冷和冰盐水冷后钢板的截面硬度分布。由图4可知,油冷钢板截面硬度分布较为均匀,硬度值为200 HV~220 HV;钢板近表面硬度随淬火冷速提高而显著增大,水冷钢板近表面硬度为260 HV,冰盐水冷钢板近表面硬度达320 HV;随着距表面距离的增加,水冷和冰盐水冷钢板的硬度呈降低的趋势。可以看出,冷速对试验钢表层约8 mm范围内的硬度有较大影响,但对心部硬度影响较小,结果与ABAQUS模拟结果有较好的对应关系。

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图4   不同冷却条件下钢板截面硬度的分布

Fig.4   Vickers hardness of steel plates in cross-section under different cooling conditions

2.4 淬火冷速对显微组织的影响

图5给出了不同冷却条件下钢板的显微组织。油冷的钢板近表面、1/4处和心部组织均为粒状贝氏体(GB)+少量的准多边形铁素体(QF),所以截面硬度分布较为均匀。经水冷钢板近表面组织为粒状贝氏体+板条贝氏体(LM)的组织,较油冷钢板表面硬度有显著增加,1/4处到心部组织均为GB,MA组元分布较为弥散;冰盐水冷近表面组织为LM/LB,钢板近表面的硬度更大,1/4处与心部组织也均为GB。提高淬火冷却速度有利于降低近表面的相变温度和发生低温转变,从而提高近表面的硬度。但是,心部冷速不会随淬火冷却速度的增加显著提高,相变均处于中温转变温度区间,无法获得板条类组织,导致硬度水平相当。

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图5   不同冷却条件下钢板截面位置的显微组织

Fig.5   Microstructure of steel plates at different sections under different cooling conditions (a, b, c) correspond to the surface、1/4 and the core of steel plate cooling by oil; (d, e, f) correspond to the surface、1/4 and the core of steel plate cooling by water; (g, h, i) correspond to the surface、1/4 and the core of steel plate cooling by ice salt water

3 分析和讨论

3.1 淬火冷速对板条结构的影响

图6给出了钢板近表面与心部的TEM像,均为板条组织结构,差别表现在板条宽度及位错密度不同,其平均板条宽度统计情况如图7所示。由于油冷钢板截面均为GB,其心部与表面的板条结构不明显,并趋向于等轴状,平均尺寸大于2 μm。基体内部的位错密度相对较小,在板条界分布着不规则形状的MA组元(图5a,d)。水冷与冰盐水冷钢板表面具有较大的冷却速度,且冷却速度愈高表面板条宽度愈细小,水冷钢板平均板条宽度约为0.76 μm,冰盐水冷钢板仅为0.27 μm,板条界与内部分布着高密度位错;而钢板心部的板条宽度相对表面显著增加,但是均小于油冷钢板。提高淬火冷却速度有利于提高位错密度、细化板条宽度和减小平均滑移面长度,因此冰盐水冷钢板近表面具有最高的硬度值。

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图6   不同冷却条件下钢板表面和心部的TEM像

Fig.6   TEM images at the surface and the core of steel plates under different cooling condition (a, b, c) correspond to the surface of steel plate cooling by oil, water, ice salt water respectively; (d, e, f) correspond to the core of steel plate cooling by oil, water, ice salt water respectively

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图7   不同冷却条件下钢板表面与心部的平均板条宽度

Fig.7   Average width of lath at the surface and the core of steel plates under different cooling conditions

3.2 淬火冷速对晶界特征的影响

对不同淬火条件下的钢板近表面与心部位置进行EBSD分析,其晶界分布图如图8所示。研究表明,原奥氏体晶界、板条束与板条块界均为大角度晶界(>15°),而板条界与亚板条块界为小角度晶界^[6,7]。由图8(a, b)可知,随着淬火冷却速度的提高钢板近表面的小角度晶界密度显著提高,板条束与板条块结构更加明显,部分板条束内板条块数量增加,导致板条块尺寸细化,大角度晶界密度有所增加。淬火冷速对钢板心部的大小角度晶界特征影响不显著,大小角度晶界的密度随着淬火冷速的提高略有提高。通常将取向差>15°定义为有效晶粒尺寸,用截线法测出各钢板近表面及心部的有效晶粒尺寸,如图9所示。随着冷却速度的提高钢板近表面及心部的有效晶粒尺寸均减小,但是在较大的冷速差异下有效晶粒尺寸相差较小,表明冷却速度对试验钢的有效晶粒尺寸没有显著的影响。综上,淬火冷速对钢板近表面的晶界特征有较大的影响,提高淬火冷速能显著增加钢板近表面的小角度晶界密度,但是不会使大角度晶界密度显著提高以及有效晶粒尺寸显著减小。

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图8   不同冷却条件下钢板近表面与心部的晶界分布图

Fig.8   Boundary map of the surface and the core of steel plates under different cooling conditions (a, b, c) correspond to the surface of steel plate cooling by oil, water, ice salt water respectively; (d, e, f) correspond to the core of steel plate cooling by oil, water, ice salt water respectively; (The low contrast and high-contrast lines indicate the boundaries with misorientations of 2°~15°and higher than 15°, respectively)

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图9   不同冷却条件下钢板近表面与心部的有效晶粒尺寸

Fig.9   Effective grain size of the surface and the core of steel plates under different cooling conditions

3.3 淬火冷速对MA组元的影响

MA组元是一种对韧性不利的组织,可能成为解理断裂的形核位置^[8]。而相关研究表明,控制MA组元的体积分数、尺寸和形状分布会改善材料的韧性^[9]。因此,采用着色腐蚀的方法对粒状贝氏体中MA组织的尺寸和体积分数进行统计分析。图10给出了各钢板不同截面位置对应的着色腐蚀图,亮白色的MA组元呈不规则粒状分布于贝氏体铁素体边界及内部。MA组元的体积分数的统计结果,如图11所示。由图11可见,随着淬火冷却速度的提高钢板截面中MA组元的体积分数减小。油冷钢板各截面位置MA组元体积分数约为7%;水冷钢板近表面MA组元的体积分数约为5%,而1/4处与1/2处略有增加;冰盐水冷钢板近表面MA组元的体积分数约为1%,而1/4处大幅增加到4%,1/2处变化微小。这表明,随着距表面距离的增加冷却速度降低,MA组元体积分数增大,且这种趋势随着淬火冷速的提高表现得愈加明显。当截面位置在1/4处到心部时,MA组元的体积分数无显著变化。

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图10   不同冷却条件下钢板截面位置的着色图像

Fig.10   Colored corrosion map of steel plates at different sections under different cooling conditions (a, b, c) correspond to the surface、1/4 and the core of steel plate cooling by oil; (d, e, f) correspond to the surface、1/4 and the core of steel plate cooling by water; (g, h, i) correspond to the surface、1/4 and the core of steel plate cooling by ice salt water

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图11   不同冷却条件下钢板截面的MA组元体积分数

Fig.11   Volume percent of MA constituent at different sections of steel plates under different cooling conditions

图12给出了MA组元等效直径的统计分布图。可以看出,油冷钢板的1/8、1/4与心部位置MA组元具有相同的分布,平均等效直径均大于1 μm,只有少部分的MA组元尺寸超过了2 μm;水冷与冰盐水冷钢板的MA组元尺寸相比油冷钢板的降低,平均等效直径均小于1 μm,1/8处MA组元尺寸最细小,且钢板近表面的MA组元等效直径随淬火冷速增加显著减小。

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图12   不同冷却条件下钢板截面MA岛的等效直径分布图

Fig.12   Size distribution of MA constituent at different sections of steel plates under different cooling conditions

MA组元的形态和分布取决于组织转变温度,随着淬火冷速的提高钢板近表面的组织转变温度越低,对元素扩散越不利,导致MA组元的体积分数和平均等效直径显著减小;而钢板心部组织转变温度受淬火冷速的影响较小,因此不同冷速下钢板的1/4处到心部的MA组元特征差异较小。相关研究发现,尺寸小于2 μm的MA组元不会影响材料的性能^{[10, 11]}。上述统计结果表明,即使在油冷的条件下试验钢板中MA组元的体积分数和尺寸较小,不会损害材料韧性,即上述粒状贝氏体组织的钢板仍具有良好的韧性。

4 结论

(1) 淬火冷速对35 mm厚HSLA钢板截面的组织性能的均匀性有较大的影响。随着淬火冷速的提高,钢板表层8 mm范围内的硬度和板条贝氏体/板条马氏体组织的含量显著提高,截面8 mm-心部的硬度和组织没有明显的变化。

(2) 淬火冷速对钢板近表面的精细结构有较大的影响。提高淬火冷速有利于提高近表面的小角度晶界密度及位错密度、细化板条宽度、降低MA组元尺寸和体积分数;而各钢板心部的板条宽度、晶界特征、MA组元的体积分数和尺寸分布没有显著的变化。此外,冷却速度对试验钢的有效晶粒尺寸影响较小。

(3) 钢板截面内冷却速度的分布决定了最终组织的转变类型及结构特征。35 mm厚板截面的硬度分布和组织结构与ABAQUS模拟计算结果吻合,进一步提高淬火冷却速度也不能保证钢板心部淬透。

The authors have declared that no competing interests exist.