材料研究学报, 2025, 39(11): 801-812 DOI: 10.11901/1005.3093.2024.496

研究论文

非均质组织对高强度风电钢拉伸性能的影响

陈子豪1,2, 高崇2, 庞建超,2, 麻衡3,4, 何康3,5, 李小武1, 李守新2, 张哲峰2

1.东北大学材料科学与工程学院 沈阳 110819

2.中国科学院金属研究所 沈阳材料科学国家研究中心 沈阳 110016

3.山钢股份莱芜分公司技术中心 济南 271104

4.北京科技大学冶金与生态工程学院 北京 100083

5.北京科技大学 钢铁共性技术协同创新中心 北京 100083

Effect of Different Heterogeneous Microstructures on Tensile Properties of a High Strength Wind Power Steel Q500MD

CHEN Zihao1,2, GAO Chong2, PANG Jianchao,2, MA Heng3,4, HE Kang3,5, LI Xiaowu1, LI Shouxin2, ZHANG Zhefeng2

1.School of Materials Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China

2.Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

3.Laiwu Branch Technology Center, Shandong Iron and Steel Co. , Ltd. , Jinan 271104, China

4.School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

5.Collaborative Innovation Center of Steel Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

通讯作者: 庞建超,副研究员,jcpang@imr.ac.cn,研究方向为材料疲劳与断裂

责任编辑: 姚金金

收稿日期: 2024-12-15   修回日期: 2025-04-24  

基金资助: 国家重点研发计划(2022YFB3708200)

Corresponding authors: PANG Jianchao, Tel:(024)83978879, E-mail:jcpang@imr.ac.cn

Received: 2024-12-15   Revised: 2025-04-24  

Fund supported: National Key Research and Development Program of China(2022YFB3708200)

作者简介 About authors

陈子豪,男,2000年生,硕士

摘要

对500 MPa级风电钢进行以临界退火为主的热处理并与淬火或回火相结合,即分别进行临界退火、淬火+临界退火与淬火+临界退火+回火均质化热处理,得到3种具有不同非均质组织的风电钢试样。使用扫描电镜和电子背散射衍射技术观察试样的微观组织,并对原始态等4组试样进行拉伸实验并观察拉伸断口,研究了非均质组织对高强度风电钢拉伸性能的影响。结果表明,非均质化热处理后试样的微观组织转变为软相临界铁素体和硬相马氏体的非均质组织,淬火+临界退火处理后试样的组织转变为临界铁素体、粒状马氏体及纤维状马氏体。试样中的非均质组织在临界退火过程中的非均匀形核使其产生了新的组织并使晶粒细化。这种非均质组织结构使这种高强度风电钢具有较低的屈强比和高塑性。与原始态组织相比,钢中的软相临界铁素体改变了试样在拉伸变形过程中初始屈服阈值和随后的加工硬化行为,使其具有较低的屈强比。不同非均质化热处理试样的组织演变和拉伸性能表明,临界退火处理后组织中的临界铁素体和马氏体使高强度风电钢的强度和塑性提高;在临界退火前加入淬火处理使微观组织中的晶粒更加细小而使其屈强比降低。

关键词: 金属材料; 高强度风电钢; 临界退火; 非均质组织; 拉伸性能

Abstract

The effect of different heterogeneous microstructures on the tensile properties of high-strength wind power steel Q500MD, a 500 MPa grade wind power steel was assessed. Hence, the as received steel is subjected to an intercritical annealing combined with quenching or tempering one, namely the following three heterogeneous heat treatments: intercritical annealing, quenching + intercritical annealing and quenching + intercritical annealing + tempering. Then the microstructure and tensile property of the acquired three type steels with different heterogeneous microstructures were examined viauniversal testing machine, scanning electron microscopy and electron backscatter diffraction. The results indicate that the as received steel presents typical thermo-mechanical control process (TMCP) heat treatment microstructure composed of a large amount of acicular ferrite and a small amount of martensite. After heterogeneous heat treatment, their microstructures transform into a heterogeneous microstructure of soft phase intercritical ferrite and hard phase martensite, and the martensite varies with different post heat treatment processes. Specifically, the steel microstructure turns into intercritical ferrite, granular martensite, and fibrous martensite after quenching and intercritical annealing. Due to the existence of heterogeneous nucleation in the intercritical annealing process, new microstructure can be generated and grain refinement can be achieved. The heterogeneous microstructure leads to a low yield ratio and high plasticity of high-strength wind power steels. Compared with the as received steel, the presence of the soft-phase intercritical ferrite alters the initial yield threshold and subsequent work hardening behavior of the steel during tensile deformation, resulting in low yield ratio. Based on the analysis of microstructure evolution and tensile properties of the steels prepared by different heterogeneous heat treatment, it can be concluded that the presence of intercritical ferrite and martensite in the microstructure after intercritical annealing can enhance the strength and plasticity of high-strength wind power steels. Furthermore, incorporating quenching prior to intercritical annealing yields a finer grain structure, thereby further reducing the yield ratio of high-strength wind power steels.

Keywords: metallic materials; high strength wind power steel; intercritical annealing; heterogeneous microstructure; tensile property

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陈子豪, 高崇, 庞建超, 麻衡, 何康, 李小武, 李守新, 张哲峰. 非均质组织对高强度风电钢拉伸性能的影响[J]. 材料研究学报, 2025, 39(11): 801-812 DOI:10.11901/1005.3093.2024.496

CHEN Zihao, GAO Chong, PANG Jianchao, MA Heng, HE Kang, LI Xiaowu, LI Shouxin, ZHANG Zhefeng. Effect of Different Heterogeneous Microstructures on Tensile Properties of a High Strength Wind Power Steel Q500MD[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2025, 39(11): 801-812 DOI:10.11901/1005.3093.2024.496

为了降低不可再生能源的消耗,大力发展可再生能源例如风力发电势在必行[1]。随着风电塔装机容量提高,对风电用钢性能的要求随之提高[2]。低屈强比(Yield ratio, YR)高强度风电钢具有优异的强塑性、耐候性和可焊性,在风电领域的用量较大[3~5]。用这种风电钢制造的风电塔架等结构件,其较高的抗震和高抗疲劳性能可防止风电塔架失稳[6,7]。但是,结构钢的高屈强比会使其产生局部应力集中和较大的变形而出现局部超载失稳[8]。结构钢的较低碳含量(< 0.1%,质量分数)可使其可焊性能良好,Cr和Ni可提高其淬透性,Cu可提高其耐腐蚀性能和沉淀强化[9,10]。用正火轧制工艺生产的高强度风电钢,其微观组织由铁素体和珠光体构成,可使其力学性能进一步提高[11,12]。传统的热处理强化工艺,一般为淬火+回火。淬火使钢中产生的马氏体或贝氏体组织可提高其强度[13,14],回火可消除内应力、提高塑性、韧性并提高组织的稳定性。但是,经过淬火和回火的高强度风电钢的YR较高[5,15]。这表明,须在提高高强度风电钢力学性能的同时保持或降低其YR。为此,可对高强度风电钢进行适当的热处理,在其中形成多相且多尺度的非均质微观组织[16~19]。在热机械轧制工艺(Thermo-mechanical control process, TMCP)中控制弛豫时间、开冷温度、冷却速率和终冷温度,可调控软/硬质相的比例,控制原奥氏体晶粒度和变形程度以调控多相组织的精细程度,最终形成包含针状铁素体、粒状贝氏体、马氏体、少量弥散Martensite-Austenite (M-A)组元和碳化物的多相组织,可提高钢的强度和塑性[20~22]。Du等[23]对高强度低合金钢进行循环退火和亚临界淬火,产生了铁素体被马氏体包裹的网状马氏体-铁素体非均质双相组织,在降低YR的同时提高了抗拉强度和均匀延伸率。Xie等[24,25]研究表明,临界退火后进行两步临界回火工艺可产生铁素体、马氏体和残余奥氏体的非均质微观组织,在降低YR的同时组织中的残余奥氏体可以显著提高材料的塑性。非均质微观组织中各相的强度差异较大,进行临界退火可使硬马氏体相嵌入奥氏体或铁素体基体中[26~29]。与传统的淬火和回火工艺相比,临界退火能在提高高强度低合金钢的塑性和韧性的同时降低其YR[30]。因此,将临界退火与淬火回火相结合,可在提高高强度风电钢强度的同时降低其YR并提高塑性。但是,与进行两步临界热处理产生的包含残余奥氏体的非均质组织不同,这种非均质化热处理产生的组织中并不包含残余奥氏体。鉴于此,本文对典型500 MPa级高强度风电钢进行以临界退火为主的新热处理工艺,以产生临界铁素体+马氏体/回火马氏体等非均质组织,研究其对拉伸性能的影响及其损伤机制以及对YR的影响。

1 实验方法

实验用500 MPa级高强度风电钢Q500MD (用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP)测定)的化学成分(质量分数,%)为:C 0.09、Si 0.22、Mn 1.6、P 0.008、S 0.002、Cu 0.01、Ni 0.2、Cr 0.35、Nb 0.04、Fe余量。

用电火花切割机沿着Q500MD钢板的轧制方向轴向截取棒料,其直径为15 mm、长度为70 mm。对原始态Q500MD钢(Original state, OS)棒料进行3种不同制度的热处理,其工艺如图1所示。3种热处理制度分别为临界退火、淬火+临界退火和淬火+临界退火+中温回火。第一种,是将棒料加热至750 ℃保温15 min后水冷(Water cooling, WC)至室温(Intercritical annealing, IA);第二种,是将棒料加热至920 ℃保温1 h后水冷至室温,再加热至780 ℃保温0.5 h后水冷至室温(Quenching and intercritical annealing, QIA);第三种,是将棒料加热至940 ℃保温0.5 h后水冷至室温,再加热至750 ℃保温15 min后水冷至室温,最后升温至350 ℃保温2 h后空冷(Air cooling, AC)至室温(Quenching and intercritical annealing and tempering, QIAT)。将原始态Q500MD和3种制度热处理的棒料分别标记为OS、IA、QIA和QIAT。将原始态和3种制度热处理的棒料加工成直径为5 mm的标准拉伸试样(GB/T 228.1-2021),长度为64 mm。拉伸试样的尺寸如图2所示。

图1

图1   Q500MD钢的热处理工艺示意图

Fig.1   Schematic diagram of heat treatment process of Q500MD steel


图2

图2   拉伸试样的尺寸

Fig.2   Dimensions of the tensile specimen


根据GB/T 228.1-2021用型号为Instron 5982的万能实验机进行常规室温拉伸实验,拉伸速率为10-3 s-1。每种试样测量3次,取抗拉强度、断后伸长率等数据的平均值。用超景深三维体式显微镜(KEY-ENCE VHX-1000E)测量断面收缩率。断面收缩率(Z)和断后伸长率(A)分别为

Z=F0-FF0×100%
A=L-L0L0×100%

其中F为拉伸后的横截面面积,F0为拉伸前的横截面面积,L为拉伸后的试样长度,L0为拉伸前的试样原始长度。

用ZEISS SIG-MA 500型场发射扫描电镜(SEM)观察试样的表面微观组织,加速电压为20 kV,工作距离为12~15 mm。观察前,截取尺寸为6 mm × 6 mm × 4 mm的方块试样并将其研磨和机械抛光,然后在4%硝酸酒精溶液中腐蚀8 s以显现表面微观组织。用JSM-6510型SEM观察拉伸断口形貌,加速电压为20 kV,工作距离18~22 mm。

用ZEISS SIG-MA 500型场发射SEM配置的电子背散射衍射(EBSD)观察试样截面的微观组织。观察前,截取尺寸为8 mm × 8 mm × 2 mm的方块试样并将其研磨和机械抛光,然后在10%高氯酸酒精中进行室温电解抛光以去除表面应力。电解抛光的工艺为:电压为22 V,电流为1 A,保持时间为17 s。

2 实验结果

2.1 原始态和不同制度热处理后试样的显微组织

原始态和不同制度热处理后试样的微观组织如图3所示。在OS试样中可见典型的TMCP热处理态组织,即大量针状铁素体(Acicular ferrite, AF)和少量马氏体(Martensite, M)(图3a)。在IA试样中可见临界铁素体(Intercritical ferrite, IF)和粒状马氏体(Granular martensite, GM)组成的非均质显微组织,GM在IF的晶界(图3b)。在QIA试样中可见与IA不同的微观组织(图3c)。QIA试样的微观组织也是由IF和M组成,其中M分为GM和纤维状马氏体(Fibrous martensite, FM),且QIA试样的显微组织比IA试样的更为细小。QIAT试样中的IF和回火马氏体(Tempered martensite, TM)如图3d所示,可见M的回复使部分板条边界模糊,碳化物细小且均匀地分布在IF基体中。

图3

图3   不同制度热处理后500 MPa级风电钢的微观组织

Fig.3   SEM images showing the microstructures in 500 MPa grade wind power steels with different heat treatment technologies (a) OS, (b) IA, (c) QIA, (d) QIAT


图4给出了几种试样的微观组织形态和边界分布的带衬度。从图4可见OS试样微观组织中的层状结构和含量较高的小角度晶界(图4a),IA和QIA试样中的层状结构有所消失且小角度晶界的含量降低(图4b、c)。IA和QIA试样中GM和FM的形成可能源于逆奥氏体相变形成的球状和针状逆转变奥氏体的冷却。根据两种M的组织形貌和生成位置,球状逆转变奥氏体在IF的晶界处形核,针状逆转变奥氏体在块状和板条边界形核[31,32]。由于IA试样没有经过奥氏体均匀化和水淬,在临界热处理时没有块状和板条边界,最终的组织中没出现FM。根据取向偏差(θ),晶界可分为黑线(5° < θ < 15°)、黄线(15° < θ< 45°)和红线(θ > 45°)3种类型。其中θ > 15°的晶界,称为大角度晶界(High angle grain boundaries, HAGBs)。对比3种热处理态和原始态组织可见,热处理后HAGBs的密度比原始态组织的高。这种情况,与临界热处理使晶粒细化有关。

图4

图4   不同制度热处理后500 MPa级风电钢的微观结构形态和边界分布的带衬度

Fig.4   Contrast diagram of the microstructure morphology and boundary distribution in 500 MPa grade wind power steels under different heat treatment technologies (a) OS, (b) IA, (c) QIA, (d) QIAT


图5给出了不同制度热处理后这种风电钢微观组织的局部取向差(Kernel average misorientation, KAM),可见位错的演化[33]。从图5a可以看出,OS试样的KAM图中位错密度最高。其原因是,TMCP热处理的轧制阶段使试样产生加工硬化,在原始态试样中产生了大量位错,使位错密度提高。从图5b、c可见IA和QIA试样中IF、GM和FM的显著KAM值变化,表明显微组织中的位错分布不均匀。与GM和FM相比,IF中的位错密度更低。从图5d还可见,回火处理后的QIAT试样KAM值的分布更加均匀,且QIAT试样中M的KAM值变得更低。这表明,回火后的GM和FM中位错密度因经过回复阶段而降低。

图5

图5   不同制度热处理后500 MPa级风电钢的KAM图

Fig.5   KAM diagram of 500 MPa grade wind power steels with different heat treatment technologies (a) OS, (b) IA, (c) QIA, (d) QIAT


2.2 风电钢的拉伸性能

表1图6给出了4种试样的拉伸性能。可以看出,OS试样的屈服强度(YS)为622 MPa,抗拉强度(UTS)为734 MPa,屈强比(YR)为0.85,断后伸长率(A)为20.12%,均匀延伸率(Au)为6.69%,断面收缩率(Z)为47.24%。可以看出,热处理后QIA试样的YS降低到471 MPa,UTS提高到818 MPa,YR降低到0.58,断后伸长率略微提高到22.52%,均匀延伸率提高到11.28%,断面收缩率提高到72.85%。这表明,经过非均质化热处理的试样其强度和塑性都有所提高,且其YR显著降低。

表1   不同制度热处理后500 MPa级风电钢的拉伸性能

Table 1  Tensile data of 500 MPa grade wind power steels under different heat treatment technologies

SampleYS / MPaUTS / MPaYRZ / %A / %Au / %
OS6227340.8547.2420.126.69
IA5248130.6460.0721.2710.27
QIA4718180.5872.8522.5211.28
QIAT5457220.7574.7923.7512.16

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图6

图6   不同制度热处理后500 MPa级风电钢的拉伸工程应力-应变曲线

Fig.6   Tensile engineering stress-strain curves of 500 MPa grade wind power steels under different heat treatment technologies


另外,临界热处理后的IA试样,其强度和塑性也发生了明显变化,YS降低到524 MPa,UTS提高到813 MPa,断后伸长率为21.27%,均匀延伸率为10.27%,断面收缩率为60.07%。与试样IA的拉伸性能比较,QIA试样淬火后再进行临界退火处理,使其YR更低,且其UTS变化不大。这个结果,应该与晶粒细化有关。与QIA试样相比,QIAT试样的YS更高,但是UTS有所降低而与原始态的UTS相差不大,但是其塑性有较大的提高。这表明,临界退火后再进行中温回火可使其塑性性能较好[34]。从图6可见,OS、IA和QIA试样的工程应力-应变曲线没有出现屈服平台,而QIAT试样的曲线出现了屈服平台。这表明,QIAT试样断裂时工程应变最大,塑性最高。

2.3 风电钢的拉伸断口形貌

图7a~d给出了OS和3种热处理态试样的拉伸宏观断口形貌。可以看出,4种试样的宏观断口呈现出典型的拉伸断面特征:都出现明显的颈缩、大量曲折和杯状剪切唇,但是都没出现明显的放射区,只有纤维区和剪切唇。OS和IA试样的宏观拉伸断口呈椭圆状,IA试样断口的椭圆度比OS的小且只在纤维区出现明显的椭圆形,其余两种热处理试样的宏观断口未呈现出明显的椭圆形貌。

图7

图7   不同制度热处理后500 MPa级风电钢的拉伸断口形貌

Fig.7   SEM images showing the tensile fracture surface morphologies of 500 MPa grade wind power steels with different heat treatment technologies (a, e) OS, (b, f) IA, (c, g) QIA, (d, h) QIAT


图7e~h给出了纤维区的放大图像。可以看出,4种试样的纤维区均有大小不一的韧窝和孔洞。IA和QIA的纤维区韧窝比其他两种试样的韧窝更小,因此在相同倍数下其数量更多,表明其UTS更高。比较IA与QIA试样的纤维区可见,IA试样纤维区中的二次微裂纹和大孔洞更多。在宏观上表现为,QIA试样比IA试样的塑性更好和YR更低。其根本原因是,热处理时QIA试样中发生了碳元素富集并形成了FM。

为了进一步分析和解释4种试样拉伸断口的差异,用EBSD表征了这几种试样的晶粒取向分布,其反极图分析结果如图8所示。OS试样和IA试样的反极图分别显示出,<111>和<101>取向的极密度比其他两种试样的大,晶粒组织出现一定的择优取向表现为各向异性。其原因是,在TMCP工艺中OS试样受到轧制的影响,其组织出现平行于轧制方向的层状结构,而IA试样是在OS组织中的针状铁素体晶界处进行非均匀形核,因此保留了一定的取向关系和各向异性。拉伸断裂时这种组织取向使晶粒在该取向的平行和垂直方向上塑性变形不同,拉伸断口呈现出椭圆状。而QIA和QIAT试样淬火时发生了奥氏体均匀化,原有的晶粒取向消失且不存在明显的各向异性。由反极图也可见,这两种试样各自的极密度差别比较低。因此,拉伸断裂后这两种试样的拉伸断口呈现正常的圆形断口,与前两种试样的差异较大。

图8

图8   基于EBSD结果不同制度热处理后500 MPa级风电钢的反极图

Fig.8   Inverse pole figure of 500 MPa grade wind power steels with different heat treatment technologies based on EBSD results (a) OS, (b) IA, (c) QIA, (d) QIAT


3 讨论

3.1 非均质热处理对风电钢微观组织的影响

图9示意性地给出了非均质热处理过程中风电钢微观组织的变化。对OS试样进行IA热处理时,加热至(α+γ)两相区并保温后基体组织转变为IF,并在IF的晶界交集处非均匀形核,生成了不规则的团状奥氏体(γG)。碳和其它合金元素在体心立方(bcc)和面心立方(fcc)相中的化学势不同,使其在两相间发生再分配。经过WC后,团状奥氏体转变为强度较高的GM。在此过程中,不仅生成了高强度的GM,还因非均匀形核细化晶粒而产生了更为细小的微观组织。在IA前进行淬火(QIA),使试样先完全奥氏体化(γ),在随后的水冷时产生全马氏体/贝氏体组织(M/B),临界退火后在M/B的晶界交界生成团状奥氏体。但是,M/B的块状和板条晶界也会成为非均匀形核点位并生成一定取向的针状奥氏体(γA)[35]。这在一定程度上增加了非均匀形核的数量,使QIA试样的晶粒更细小。随后进行的水冷,使针状奥氏体转变为FM。QIA热处理后进行的中温回火(QIAT),使试样中的M转变为TM并析出了纳米级碳化物。

图9

图9   非均质热处理后钢的微观组织结构变化

Fig.9   Changing process of the microstructures of the steels during heterogeneous heat treatment


图10更系统地给出了4种试样的晶粒尺寸分布,以探究非均质热处理对晶粒的细化。可以看出,OS试样的晶粒尺寸大于其他3种热处理试样的晶粒尺寸,大多为1~2 μm和2~3 μm,平均晶粒尺寸达到了4.69 μm,没有尺寸为0~1 μm的晶粒。IA试样经过临界退火处理,组织中出现了非均匀形核产生了新的细小晶粒,整体呈现为IF+GM的不均匀形态。IA试样的平均晶粒尺寸为3.61 μm,还有尺寸为0~1 μm的小晶粒,表明临界退火能细化晶粒。而QIA试样的晶粒尺寸最小,平均晶粒尺寸为2.46 μm。与OS试样相比,QIA试样的平均晶粒尺寸为OS的二分之一。由于比IA试样增加了淬火,形成的M/B组织的块状和板条边界也是非均匀形核的点位,使非均匀形核的数量增加即新生成的晶粒增加,所以QIA试样的晶粒尺寸也小于IA试样的尺寸,大多晶粒尺寸为1~2 μm。将QIA试样进行回火,中温回火的热量输入使晶粒发生一定程度的长大。试样的平均晶粒尺寸为2.6 μm,变化不大。这表明,中温回火对新产生的非均质组织没有显著的影响。

图10

图10   不同制度热处理后500 MPa级风电钢的晶粒尺寸分布

Fig.10   Grain size distribution of 500 MPa grade wind power steels with different heat treatment technologies (a) OS, (b) IA, (c) QIA, (d) QIAT


图11给出了4种风电钢试样的拉伸性能与平均晶粒尺寸的关系。可以看出,经过临界退火试样的组织变成了非均质态且其晶粒得到了细化,其强度和塑性都有一定的提高。IA和QIA试样性能的差异表明,随着晶粒尺寸的减小(IA, 3.61 μm; QIA, 2.46 μm)QIA的YS降低,但是与IA的UTS相差不大。其原因是,QIA试样中碳元素的再分配使其中IF的强度比IA试样中的IF低,所以QIA试样的YS和UTS都比IA的低。但是,QIA试样较多的非均匀形核使其晶粒更为细小,从而其YS和UTS都有一定的提高,而晶粒细化所致的YS提高不如UTS提高的大。这两个因素最终使UTS相差不大。QIA试样也因此具有高抗拉低屈服的低YR性能特征。经历回火的QIAT试样,其组织内的纳米碳化物析出和基体中位错的回复,使UTS有所下降和YS有所提高。晶粒细化使3个热处理态试样的塑性都有所提高,QIA试样中的IF比IA试样的更软,从而使其塑性更好。而QIAT在QIA的基础上进行了回火,使其塑性最好,断后伸长率和均匀延伸率分别达到了23.75%和12.16%。

图11

图11   不同制度热处理后500 MPa级风电钢的拉伸性能与平均晶粒尺寸的关系

Fig.11   Relationship between average grain size and tensile properties of 500 MPa grade wind power steels under different heat treatment technologies (a) the relationship between average grain size and yield/tensile strengths, (b) the relationship between average grain size and uniform elongation


3.2 风电钢的非均质组织对其拉伸性能的影响

从QIAT试样的拉伸性能(表1)可见,其YS比QIA试样的高,但是UTS较低,使YR急剧增大到0.75,是其在350 ℃回火时微观组织回复所致。YS的变化,与塑性变形早期的位错运动有关[36]。在回火过程中位错回复,碳化物析出并且M中的位错与碳化物钉扎在一起,需要更强的应力才能引发位错运动,其结果是YS的提高。拉伸强度在很大程度上取决于各相的强度,IA和QIA试样中出现的大量高强度M,使IA和QIA试样的UTS较高。而QIAT试样的UTS因其在回火过程中软化而降低,两者的同时变化使QIAT试样的YR较高。

为了更好地理解热处理试样的屈服行为,用扩展的Kocks-Mecking(K-M)曲线描述瞬时加工硬化率(λ, dσ/dε)与真应力之间的关系[37]。达到拉伸强度前有两个阶段:第I阶段是基体位错弯曲的滞弹性可逆行为引起的λ的逐渐衰减,第II阶段是随后塑性变形过程中位错的积累引起的向塑性区的转变。图12给出了4个试样的扩展K-M曲线。OS试样的曲线出现了第I阶段和第II阶段之间的明显过渡(以红点标记),过渡点的出现与试样的屈服同时发生。但是,IA和QIA试样的曲线出现了λ连续衰减,从第I阶段到第II阶段没有明显的过渡。这表明,屈服是连续的,是微观组织的不均匀性所致。IA和QIA试样中有一定量的IF,扩展K-M曲线第I阶段的λ比II阶段下降得快,表明IF的屈服应力水平低于M,其屈服先于M。因此,IF的存在使IA和QIA试样在拉伸变形期间的初始屈服行为和随后的加工硬化发生了变化。这表明,IF的影响使IA和QIA试样的YS迅速降低,并且使临界热处理后的试样内出现非均匀形核,生成了大量细小晶粒组织而使UTS提高。两者的共同作用使IA和QIA试样的YR较低。由于QIA试样中出现了具有取向尖角的FM,在软相发生塑性变形时容易形成应力集中。同时,由图5中的KAM图可见,QIA试样中的位错密度比IA试样的位错密度低,在一定应力下QIA试样先发生屈服。这表明,虽然QIA试样的平均晶粒尺寸比IA试样的小,但是FM存在和更低的位错密度使QIA试样更早进入屈服阶段,YR也比IA试样的低。QIA试样的回火,使其扩展K-M曲线出现明显的阶段I向阶II的过渡并出现了屈服拐点。λ的突然变化,可归因于回火过程中纳米碳化物的析出和基体中位错的回复。

图12

图12   不同制度热处理后500 MPa级风电钢的K-M曲线

Fig.12   K-M curves of 500 MPa grade wind power steels with different heat treatment technologies


不同制度热处理试样的拉伸性能,如图13所示。IA试样的UTS和断后伸长率都比OS有所提高、YS降低。其原因是,在临界退火后组织中出现了较多高强度的GM。但是,碳元素的再分配使IF比AF更软,屈服行为先于AF发生,从而使YS降低。同时,软相IF的存在使IA试样的塑性和断后伸长率提高。QIA试样与IA试样的UTS相差不大,但是其YS降低,断后伸长率提高。QIA试样中M/B的块状和板条晶界也作为非均匀形核点位增加了非均匀形核数量,最终形成了FM。QIA试样中产生了更多的M,其IF内碳元素再分配后变得更少,强度比IA试样的IF更低。在一定的应力作用下,QIA中的IF比IA试样先发生屈服,从而使YS降低。同时,QIA的晶粒尺寸比IA试样的小,使QIA试样与IA试样的UTS相差不大,塑性更好。在中温回火后QIAT试样中的M转变为TM,其UTS比QIA有所降低,而YS因位错回复和碳化物的析出有所提高,回火后塑性也进一步提高。高强度风电钢经QIA热处理强化后,其强度和塑性都大幅度提高,并且YR也进一步降低。

图13

图13   不同制度热处理后500 MPa级风电钢的拉伸性能

Fig.13   Changes of tensile properties of 500 MPa grade wind power steels under different heat treatment technologies (a) the relationship between yield strength and tensile strength, (b) the relationship between elongation and tensile strength


4 结论

(1) 临界退火处理后500 MPa风电钢OS的组织由IF和GM组成。在临界退火处理前进行淬火,使组织中出现FM。将经过淬火和临界退火的试样进行中温回火,可得到IF+TM组织和纳米级碳化物沉淀。

(2) 经过临界退火处理后500 MPa风电钢的UTS提高和YR降低,断后伸长率和均匀延伸率提高,塑性提高。在淬火后再进行临界退火Q500MD钢的UTS基本不变,YS进一步降低,断后伸长率和均匀延伸率继续提高。在此基础上进行中温回火后UTS下降,YS上升,断后伸长率提高。

(3) 临界退火处理使500 MPa风电钢OS的组织转变为IF和GM的非均质组织,晶粒细化,使其强度和塑性提高。在临界退火前进行淬火后,在M/B的板条与块状边界出现FM,M的数量增加使晶粒细化,但是IF强度更低使最终的强度变化不大,塑性提高。将经过淬火和临界退火的试样进行中温回火处理,组织中纳米碳化物的析出和基体中位错的回复使UTS下降和YS升高,塑性进一步提高。非均质热处理后钢的微观组织转变为细小的铁素体和马氏体组成的非均质组织,使其强度和塑性提高。

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