兩相區熱處理對工程結構用高強鋼低周疲勞性能的影響

呂衛東

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900)

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兩相區熱處理對工程結構用高強鋼低周疲勞性能的影響

呂衛東

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900)

為提高工程結構用高強鋼的低周疲勞性能，通過光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、疲勞試驗等方法，研究了兩相區熱處理工藝條件下工程結構用鋼的顯微組織演變及低周疲勞斷裂行為.結果表明：兩相區熱處理組織由細小且形狀不規則的回火態馬氏體與條帶狀鐵素體組成，馬氏體體積分數約為61.7%，殘余奧氏體體積分數為2%～5%。試樣具有優良的綜合性能，與傳統調質工藝相比，具有較低的屈強比及較高的低溫沖擊韌性.同時，兩相區熱處理后呈現出較高的抗低周疲勞性能，因為塑性變形能力提高，降低了過早形成疲勞裂紋的概率并減小裂紋擴展速率，使高應變低周疲勞性能提高.

兩相區熱處理；高強鋼；高應變低周疲勞；循環特性

傳統調質熱處理工藝是鋼板獲得高強度的重要手段.然而，調質熱處理后的顯微組織通常為回火態的馬氏體組織，往往具有相對較高的屈強比，在高應變載荷作用下容易造成應力集中而導致局部大變形，使得工程結構出現局部超載失穩[1].兩相區熱處理[2-3]是高強度結構用鋼進一步獲得優良綜合性能的有效途徑之一.在傳統調質熱處理工藝中引入兩相區淬火，通過調節兩相區加熱溫度與保溫時間得到具有不同亞結構特點的M+F(馬氏體+鐵素體)雙相結構，可以實現對熱處理鋼板力學性能的調控[4-5].工程結構用鋼的高應變低周疲勞性能是其重要的使役性能之一，也是表征鋼鐵材料抗震性能的指標之一.本文以一種低合金高強結構鋼為研究對象，分析了兩相區熱處理、顯微組織特征以及高應變低周疲勞性能之間的關系，重點討論分析了通過兩相區熱處理獲得的復相組織微觀特征對試樣高應變低周疲勞性能的影響.

1　實驗材料與方法

表1　實驗鋼的化學成分(質量分數)

用于進行高應變低周疲勞實驗的試樣沿鋼板橫向(垂直于軋制方向)進行截取，試樣根據標準要求進行表面磨光處理.疲勞性能測試利用材料疲勞試驗機在室溫條件下完成，實驗采取“拉-壓”式的恒應變幅對稱加載循環方式(波形為三角波，加載頻率2Hz).實驗過程中采用3%和6%兩種應變幅，直至試樣最終斷裂.拉伸實驗在萬能試驗機上進行，拉伸速度為 5 mm/min，試樣同樣沿鋼板橫向截取制備.試樣的低溫沖擊韌性測試利用INSTRON沖擊試驗機在 -40 ℃ 條件下進行，標準試樣(V型缺口)沿鋼板的軋制方向進行截取制備.

金相試樣分別經4%硝酸酒精和LePera試劑腐蝕后，利用LEICA光學顯微鏡(OM)和FEI QUANTA掃描電子顯微鏡(SEM)進行顯微組織分析研究.利用X射線衍射儀(XRD)對試樣中的殘余奧氏體體積分數進行測定.利用掃描電鏡對試樣不同位置的疲勞斷口形貌進行觀察.

2　結果與討論

2.1兩相區熱處理對組織性能的影響

兩相區熱處理后，試樣的顯微組織呈雙相結構特征，其中鐵素體組織呈明顯的針條狀，不規則形貌的細小塊狀回火態的馬氏體分布在鐵素體周邊，如圖1(a)與(c)所示.通過對試樣進行測定，其馬氏體體積分數約61.7%.另外，試樣中還含有一定量的殘余奧氏體，利用XRD測定其殘余奧氏體體積分數為2%～5%.殘余奧氏體與兩相區二次淬火有密切的關系，在兩相區內碳及合金元素擴散到奧氏體相中，在隨后的淬火過程中，部分奧氏體由于富含足夠的碳及合金元素等而具備較高穩定性，得以保留至室溫，在后續的回火處理后，極少量最終殘留下來.同時，根據文獻[6-7]顯示，兩相區熱處理可造成鋼中化學成分濃度的變化，進而使得試樣中局部微區內的Ac1相變溫度點降低，這樣在后續足夠高溫度的回火處理條件下，可在上述微區內形成逆轉變奧氏體組織[6-7].板條束邊界是擴散發生活躍區域，因此逆轉變奧氏體易于在板條束邊界附近形核，隨著后續回火溫度的升高，逆轉變奧氏體的體積分數呈增大趨勢[8].

經傳統調質熱處理的試樣，其顯微組織由回火態的馬氏體組成.如圖1(b)與(d)所示，馬氏體板條束的部分邊界消失，同時大量的析出相粒子呈不連續狀分布在原奧氏體晶界和馬氏體板條的邊界上，馬氏體組織的局部區域已回復成鐵素體組織.

實驗鋼的力學性能如表2所示，可見兩種工藝條件下試樣的屈服強度相近，而屈強比和沖擊功值存在較大差異；經兩相區熱處理試樣具備較低的屈強比和較高的低溫沖擊韌性.經兩相區熱處理后顯微組織由鐵素體和回火馬氏體構成，由于兩相組織上的差別，在強度上存在相對的軟相與硬相.在外載荷作用下，強度較低的鐵素體組織作為軟相提供了材料的屈服強度，顯微組織中的回火態馬氏體則作為硬相表征了材料的抗拉強度，因而，在這種包含軟相與硬相的組織中，兩相的強度差導致了實驗鋼屈服強度與抗拉強度之間的差值增大，進而降低了實驗鋼的屈強比.

另外，由圖2可見，經兩相區熱處理的試樣，在拉伸載荷作用下，其應力-應變曲線中出現屈服平臺.具有雙相結構特征的實驗鋼在拉伸載荷作用下往往呈連續屈服特征[9-10]，而本實驗鋼與之矛盾.兩相區熱處理試樣顯微組織中的鐵素體呈現針條狀(圖1(a)與(c)所示)，其邊界可有效地阻礙可動位錯的移動，降低滑移位錯平均自由程，使得在拉伸外載荷作用下形成屈服平臺[11].

圖1　不同工藝條件下實驗鋼的顯微組織特征

圖2　試樣的拉伸應力-應變曲線

工藝屈服強度抗拉強度MPa屈強比 伸長率 %-40℃沖擊功J兩相區熱處理6868130.8422.9196調質熱處理7227680.9420.7135

2.2疲勞壽命與循環特性分析

應變幅(Δεt/2)分別為3%與6%條件下試樣的低周疲勞壽命如表3所示.

表3　試樣的高應變低周疲勞壽命

鋼材的高應變低周疲勞特性主要取決于材料的塑性變形能力以及強度級別.經兩相區熱處理后的試樣，由鐵素體與馬氏體雙相組織構成，其具有相對較低的屈強比，均勻變形能力高于由單一回火態馬氏體組成的調質熱處理試樣，最終兩相區熱處理試樣具有相對較高的疲勞壽命.

圖3為試樣在高應變低周疲勞實驗中的典型循環特征曲線.如圖3(a)所示，在3%應變幅條件下，經兩相區熱處理的試樣與常規調質熱處理試樣相比，在循環載荷過程中具有相對較高的應力值.同時，當載荷循環進行約3～4周后，試樣的應力值達到最大，循環硬化約 54 MPa.繼續施加循環載荷，應力幅值呈緩慢降低趨勢，而調質試樣則呈現較急劇的降低趨勢，直至試樣最終斷裂.當提高應變幅至6%時，經兩相區熱處理后的試樣，其經過更少的循環周次后即可達到循環硬化的最大值，而調質熱處理試樣則連續地發生循環軟化直至斷裂.在較大應變載荷作用下，兩相區熱處理的試樣具備良好的循環硬化和循環穩定性，因而具有較高的吸收變形功能力，有效地避免急劇的循環軟化發生，提高了材料的使用壽命.

圖3　試樣的高應變低周疲勞循環特性曲線

圖4　兩相區熱處理試樣在應變幅為6%條件下的疲勞斷口形貌

2.3疲勞斷口分析

對兩相區熱處理試樣的典型疲勞斷口進行SEM觀察，斷口形貌特征如圖4所示.圖4(a)為疲勞斷口的全貌圖像，在實驗循環載荷條件下，疲勞裂紋在試樣表面附近形核，成為裂紋源.疲勞裂紋在擴展初期，主要是以連續滑移方式進行擴展；另外在滑移方向上同時也存在著不連續的擴展發生，因而，在微裂紋萌生直至達到穩定的擴展過程中，在疲勞裂紋擴展區內形成了平滑的斷口區，如圖4(b)所示；該區域形貌由凹凸不平的光滑疲勞斷片層組成，同時不同的斷片層之間呈臺階狀.在裂紋擴展過程中，當遇到夾雜物等粒子時，裂紋擴展路徑受到影響，呈繞過質點繼續擴展趨勢，進而形成新擴展面.最終，在局部區域壓應力及剪切應力作用下，在疲勞斷裂面上形成了規律排布的輪胎壓痕.圖4(c)為平滑斷口區與瞬時斷裂區的過渡區域內存在的典型輪胎壓痕花樣圖.圖4(d)為瞬時斷裂區斷口形貌圖像，該區域由不同尺寸的韌窩及其所形成的大量撕裂棱組成，表明經兩相區熱處理后的試樣在高應變疲勞測試中具有良好的塑性變形能力.

經兩相區熱處理的試樣具有良好的塑性變形能力，通過軟相與硬相組成的雙相組織特征，在疲勞載荷過程中有效避免了局部大應變的發生，減弱了試樣的局部應力集中，顯著抑制了微裂紋的過早形成并降低了其擴展的速率，試樣呈現了較高的疲勞性能.

3　結　論

(1)經兩相區熱處理后，試樣由細小且形狀不規則的回火態馬氏體與條帶狀鐵素體組成，其中馬氏體體積分數約為61.7%，殘余奧氏體體積分數為2%～5%.

(2)在2Hz加載頻率下，兩相區熱處理試樣呈現出相對較高的抗低周疲勞性能，與調質試樣相比，在高應變疲勞實驗中，經兩相區熱處理后的試樣，具有良好的循環硬化及循環穩定性，因此在循環載荷下具備較高的塑性變形能力，避免材料過早發生失效.

(3)通過兩相區熱處理工藝，試樣獲得雙相組織，利用其協調變形機制，通過提高塑性變形能力，進而減弱應力集中，減小過早形成疲勞裂紋的概率并降低擴展速率，有利于提高材料的高應變低周疲勞性能.

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Effect of heat treatment in two-phase region on low-cycle fatigue properties of high strength steel for engineering structures

Lü Weidong

(Baoshan Iron & Steel Co.,Ltd.Shanghai 201900,China)

Optical microscopy,scanning electron microscopy,X-ray diffraction and fatigue tests were used to study the microstructure evolution and low-cycle fatigue fracture behavior of the engineering structure steel treated by heat treatment in two-phase region.The results showed that the microstructure consists of fine and irregularly tempered martensite and stripped ferrite,where the martensite is about 61.7 % and the residual austenite is about 2%～5%.The samples possess excellent comprehensive properties.Compared with the conventional quenched and tempered steels,our samples have a lower yield ratio and a higher low-temperature impact toughness.Meanwhile,the tested samples present a relatively higher low-cycle fatigue resistance.The high plasticity deformation capacity can reduce the probability of early formation of fatigue crack and decrease the crack propagation rate,which ensure that the samples have good high-strain low-cycle fatigue properties.

two-phase region heat treatment; high strength steel; high-strain low-cycle fatigue; fatigue cycle characteristics

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.02.011

TG 155.1

A

1671-6620(2016)02-0132-05