富Ni 奧氏體對1 GPa 級超高強(qiáng)海工鋼強(qiáng)度與韌性的影響

闞立燁， 朱 拓， 葉其斌， 周 成

（1. 東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 沈陽 110819；2. 江蘇?。ㄉ充摚?鋼鐵研究院， 江蘇 張家港 215625）

隨著海洋工程裝備領(lǐng)域的不斷發(fā)展，開發(fā)具有超高強(qiáng)度、低溫韌性的結(jié)構(gòu)材料，用以減輕結(jié)構(gòu)整體的質(zhì)量和增加整體的安全性，已成為該領(lǐng)域極其重要的研究方向.近年來，美國、挪威船級社的最新船體結(jié)構(gòu)材料標(biāo)準(zhǔn)中，均對超高強(qiáng)度海工鋼提出了明確的性能要求，其中包括屈服強(qiáng)度大于890 MPa，-40 ℃沖擊功高于69 J 的EQ91鋼［1］.在高強(qiáng)度海洋工程用鋼的制備中，主要采用淬火＋高溫回火的調(diào)質(zhì)工藝［2］.該工藝可使材料獲得超高強(qiáng)度，但常會伴隨著低溫韌性的降低以及屈強(qiáng)比的升高等問題，而過高的屈強(qiáng)比會給整體結(jié)構(gòu)在惡劣海洋環(huán)境的服役過程中帶來嚴(yán)重的威脅.因此，在發(fā)展超高強(qiáng)海洋工程用鋼的同時(shí)，還需要兼顧鋼的低溫韌性和屈強(qiáng)比.在液化天燃?xì)鈨蓿╨iquid nature gas， LNG）的研究中，通過高溫淬火＋兩相區(qū)淬火＋回火工藝（QLT），形成一定量的富Ni 奧氏體.由于富Ni 奧氏體的存在，可以顯著提高實(shí)驗(yàn)鋼的低溫韌性［3-4］，同時(shí)富Ni 奧氏體在拉伸過程中的誘導(dǎo)相變能使實(shí)驗(yàn)鋼獲得較高的強(qiáng)度和較低的屈強(qiáng)比［5-6］.

本文中采用QLT 工藝對高Ni＋Cr?Mo?V 系實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行熱處理，在基體上形成一定量的富Ni 奧氏體和納米級析出相，得到了具有超高強(qiáng)度、優(yōu)異低溫韌性及較低屈強(qiáng)比（＜0.9）的實(shí)驗(yàn)室原型鋼.通過分析實(shí)驗(yàn)鋼在熱處理過程的組織及性能的轉(zhuǎn)變，獲得滿足目標(biāo)力學(xué)性能的熱處理工藝，并探討富Ni 奧氏體對超高強(qiáng)海工鋼強(qiáng)度與韌性的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 如下：C（ 0.04%）， Mn （ 0.50%）， Si （ 0.25%）， Ni（7.18%），Cr（0.55%），Mo（0.55%），V（0.12%），F(xiàn)e（余量）.本文中采用300 mm 連鑄坯料，熱軋前先將坯料加熱至1 200 ℃，保溫3 h，再進(jìn)行奧氏體均勻化.采用兩階段控制軋制方案，將坯料軋制至12 mm，開軋溫度分別為1 150 和950 ℃，終軋溫度為900 ℃，軋后空冷至室溫.高溫淬火＋兩相區(qū)淬火＋回火工藝如圖1 所示.具體工藝流程如下：先將熱軋板重新加熱到900 ℃，保溫1 h 后水淬，然后加熱到670 ℃，保溫0.5 h 后水淬，之后再加熱至600 ℃，保溫1 h 后水冷至室溫.經(jīng)熱處理后的鋼板被加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和沖擊試樣.

圖1 熱處理工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat treatment

拉伸力學(xué)性能測試在Instron 4206 萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用直徑為5 mm 的圓形橫截面拉伸試樣.沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，采用V 型缺口，試驗(yàn)溫度為-196 ℃.3 個(gè)沖擊試樣的平均值作為該工藝下實(shí)驗(yàn)鋼的沖擊功.金相試樣經(jīng)機(jī)械磨拋后，放入體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕.接下來，采用ULTRA55 場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察不同熱處理狀態(tài)下鋼的組織形貌；采用X 射線衍射進(jìn)行相組成的分析；采用TECNAIG2F20 場發(fā)射透射電子顯微鏡觀察析出相的形態(tài)與分布.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織

圖2 不同熱處理狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織Fig.2 Microstructure of experimental steel after different heat treatment

采用透射電子顯微鏡（TEM）對QLT 實(shí)驗(yàn)鋼中組織進(jìn)一步觀察，結(jié)果如圖3 所示.通過明場像的觀察可知，在基體上沿馬氏體板條分布著呈棒狀的組織.對這些組織進(jìn)行衍射花樣標(biāo)定和暗場像觀察可以得出，在明場像觀察到的棒狀組織為奧氏體.然而，還有少量棒狀組織在暗場像下沒有被觀察到，這部分組織為水冷形成的馬氏體.同時(shí)，在基體上還觀察到了呈球狀的納米級析出相，它們可以起到析出強(qiáng)化的作用.對實(shí)驗(yàn)鋼中奧氏體進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明奧氏體中發(fā)生了Ni 的富集，如圖4 所示.

圖3 QLT 實(shí)驗(yàn)鋼TEM 顯微組織Fig.3 TEM images in the QLT experimental steel

圖4 QLT 實(shí)驗(yàn)鋼中奧氏體能譜分析Fig.4 Energy of austenite in the QLT experimental steel

采用X 射線衍射（XRD）對QLT 實(shí)驗(yàn)鋼中富Ni 奧氏體的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，如圖5 所示.在X射線衍射花樣中，發(fā)現(xiàn)了明顯的（200）γ，（220）γ，（311）γ奧氏體峰.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（1），可以計(jì)算出QLT 實(shí)驗(yàn)鋼中奧氏體的體積分?jǐn)?shù).

圖5 QLT 實(shí)驗(yàn)鋼X 射線衍射圖譜Fig.5 X?ray diffraction pattern of the QLT experimental steel

式中：Vγ為奧氏體的體積分?jǐn)?shù)，%；Iγ為奧氏體峰的綜合強(qiáng)度；Iα為鐵素體峰的綜合強(qiáng)度.（200）γ，（220）γ，（311）γ，（200）α和（211）α峰被選取用于實(shí)驗(yàn)鋼中殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算，可得出QLT 實(shí)驗(yàn)鋼中奧氏體的體積分?jǐn)?shù)為12.4%.

2.2 力學(xué)性能

采用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)和擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對QLT 實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能進(jìn)行檢測，可得出實(shí)驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度925 MPa、抗拉強(qiáng)度1 063 MPa、屈強(qiáng)比0.87.此外，還發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)鋼具有較好的極低溫韌性，-196 ℃沖擊功為185 J.由此可見，經(jīng)過QLT處理后，可以達(dá)到890 MPa 以上的強(qiáng)度要求，同時(shí)還具有較好的極低溫韌性及較低的屈強(qiáng)比.

3 分析與討論

采用示波沖擊對QLT 實(shí)驗(yàn)鋼的低溫韌性做出了進(jìn)一步研究，QLT 鋼在-196 ℃沖擊時(shí)相應(yīng)的載荷、能量與位移的曲線如圖6 所示.沖擊斷裂過程可分為兩個(gè)階段，即裂紋的產(chǎn)生和裂紋的擴(kuò)展.相應(yīng)地，總的沖擊能量由起裂功和裂紋擴(kuò)展功組成.裂紋起始能量代表了裂紋形成的困難程度，它與塑性變形有關(guān).從圖6 中可以看出，QLT 實(shí)驗(yàn)鋼的起裂功為45 J，裂紋擴(kuò)展功較高，為140 J.在裂紋擴(kuò)展過程中，富Ni 奧氏體在應(yīng)力的作用下引起TRIP 效應(yīng).富Ni 奧氏體的TRIP 效應(yīng)有助于減小局部的應(yīng)力集中，增強(qiáng)塑性變形能力，并且能消耗傳播裂紋的尖端能量，從而延緩微裂紋的產(chǎn)生和傳播，提高實(shí)驗(yàn)鋼的低溫韌性［7］.

圖6 QLT 實(shí)驗(yàn)鋼在-196 ℃下的載荷-位移曲線和沖擊功Fig.6 Load?displacement curve and impact energy of QLT steel at -196 ℃

4 結(jié) 論

（1）經(jīng)過QLT 處理后，實(shí)驗(yàn)鋼基體組織為臨界鐵素體、 富Ni 奧氏體和回火馬氏體的混合組織.其中，富Ni 奧氏體的體積分?jǐn)?shù)為12.4%.富Ni 奧氏體具有較高的熱穩(wěn)定性.

（2）經(jīng)過QLT 處理后，實(shí)驗(yàn)鋼獲得了優(yōu)異的力學(xué)性能.其中，屈服強(qiáng)度為925 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 063 MPa，屈強(qiáng)比為0.87，-196 ℃沖擊功為185 J.

（3）QLT 實(shí)驗(yàn)鋼中富Ni 奧氏體在沖擊過程中發(fā)生誘導(dǎo)相變，顯著地提高了裂紋擴(kuò)展功，使得實(shí)驗(yàn)鋼獲得較高的低溫沖擊功.