板条组织低合金钢中影响低温韧性的“有效晶粒尺寸”

板条组织低合金钢中影响低温韧性的“有效晶粒尺寸”

沈俊昶罗志俊杨才福张永权

(钢铁研究总院，北京 100081)

摘要采用OM、SEM、TEM及EBSD等方法，对板条组织低合金钢精细组织结构进行研究，并测试了不同热处理条件下试验钢的低温韧性。研究过程中，从晶体学位向关系、亚单元对性能的定量影响规律、解理裂纹扩展路径的实际观察等三个方面分别研究控制低温韧性的“有效晶粒尺寸”。几个不同方面的研究结果均表明，板条块（block）是决定板条组织低合金钢低温韧性的最小亚单元，即block尺寸是影响低温韧性的“有效晶粒尺寸”。

关键词解理断裂低温韧性Block Packet EBSD 有效晶粒尺寸

引言

众所周知，韧性是反映材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，韧性的本质是由钢的断裂方式决定的。工程上，一般将断裂方式按照断裂时有无宏观的塑性变形分为韧断和脆断两种类型。断裂的微观机制包括众多类型，对于低合金高强度来说，主要发生微孔聚集型和解理（或准解理）型两种穿晶断裂方式，如图1所示。

图1低合金高强度钢的两种典型断裂方式

目前关于断裂的本质尽管还存在很多争议，但是基本的观点是一致的。即韧断是由位错滑移引起的，以微孔聚集方式进行，对于体心立方金属来说，最易于滑移的是{110}晶面，当应力超过金属的屈服强度σt时，裂纹沿{110}面扩展发生韧断；而脆断则以解理断裂方式进行，此时在正应力的作用下断裂面沿一定的晶面正向分离，由于体心立方金属的{100}晶面正向结合强度低于其它晶面，因此当应力超过晶面正向结合强度（解理断裂强度σf）时，解理断裂裂纹沿着{100}晶面快速扩展，当{100}晶面方向改变时，解理裂纹的扩展受阻。

从力学角度来看，发生脆性解理断裂的前提是钢的解理断裂强度σf 低于屈服强度σt ，此时，在应力作用下，钢来不及发生韧断，而是直接发生脆断。可以说，钢的韧脆转变是屈服强度σt 与解理断裂强度σf 谁大谁小的问题，而温度对二者受温度的影响程度不同，导致体心立方的低合金钢发生韧脆转变现象。由于韧断是由位错的滑移运动引发的，随着温度的降低，位错运动的阻力增加，因此温度降低时屈服强度σt 提高，而解理断裂强度σf 受温度的影响相对较小。如图2所示，随着温度的降低，σt 逐渐增加，当温度低于韧脆转变温度Tk 时，σt 超过解理断裂强度σf ，断裂方式由微孔聚集型的韧断转变成解理脆断方式，其低温韧性较差。

T

σf σt

Tk

σ 脆断 韧断

图2 钢的韧脆转变断裂机制

根据上述分析，提高钢的低温韧性有效方式是提高钢的解理断裂强度σf 。根据C. Nagasaki 等人的研究结果，解理断裂强度符合hall-petch 关系，可表示为[1]：

σf ＝K f .d eff -1/2

上式中，d eff 是影响低温韧性的有效晶粒尺寸。如前所述，钢的解理断裂沿{100}晶面产生，因此影响韧性的有效晶粒尺寸应为{100}晶面的有效尺寸[2]。

调质型的低合金高强度钢一般得到板条结构的马氏体或者马氏体+贝氏体混合组织，但无论板条马氏体还是板条贝氏体，都具有相似且复杂的微观组织亚结构。分析这类板条组织结构的形态及晶体学取向关系，对研究马氏体组织对强韧性的影响是非常重要的。上世纪70年代以来，板条马氏体钢微观组织亚单元与强度之间的研究较多[3-4]，而与韧性关系的研究相对较少。对于控制低温韧性的“有效晶粒尺寸”观点不一，对板条马氏体解理断裂传播起决定作用的亚单元一直没有清晰的结论。本文采用OM 、SEM 、TEM 以及EBSD 技术等对调质型低合金高强度钢精细组织结构进行了深入分析，在此基础上，提出板条块（block ）

尺寸是影响低温韧性的“有效晶粒尺寸”的观点。

1 试验材料与热处理

试验研究采用工业生产的10Ni5CrMo钢板，其原始状态为未经热处理的轧制态，钢的主要化学成分为：0.08% C、0.3%Si、0.6%Mn、4.8%Ni、0.6%Cr、0.5%Mo。沿钢板横向切取尺寸为25×20×200mm的小试样，在厢式炉中热处理。为了准确观察和测量亚结构尺寸，淬火采用1300℃加热，以便获得粗大组织，随后经保温1h后分别水淬、油淬、快风冷、埋砂冷，其目的是通过不同冷却速度获得不同的精细组织。回火采用640℃保温2h。热处理工艺示意图见图3。

图3 试验钢热处理工艺

2 不同冷却条件下试验钢的金相组织与力学性能

10Ni5CrMo钢中Ni、Mo等合金含量较高，冷却过程中铁素体转变被完全抑制，在很宽的温度范围内形成板条结构的马氏体或贝氏体组织。试验中采用1%偏重亚硫酸钠+4%苦味酸酒精溶液按1：1配制溶液，对钢进行着色腐蚀，图4显示了金相组织照片。经过着色腐蚀后，棕黄色为板条马氏体组织，蓝色为板条贝氏体组织。图4a可见，水冷下钢中得到板条结构的全马氏体组织；随着冷却速度的降低（油冷和风冷），得到板条结构的马氏体+贝氏体混合组织(图4b,c)；冷却速度进一步降低，钢中开始出现粒状贝氏体组织，板条结构变得模糊(图4d)。

图5示出了不同冷却速度下试验钢的力学性能，可以看到，冷却速度对强度的影响较小，而对低温韧性影响则较大。随着冷却速度的降低，钢的韧性逐渐提高，但是当冷却速度降低到一定程度，钢中出现粒状贝氏体组织时，韧性又降低了。

上述试验结果表明，水冷、油冷及风冷条件下，试验钢尽管都均得到板条结

构组织，但钢的韧性差异较大，表明不同冷却条件下板条结构的马氏体及马氏体+贝氏体精细组织结构存在差异，不同组织中影响低温韧性的“有效晶粒尺寸”存在差异，因此，有必要对其精细组织结构进一步深入分析。

图4 试验钢金相组织照片，(a)水冷；(b)油冷；(c)空冷；(d)埋砂

600

700

800

900

1000

1100

水冷

油冷

风冷

埋砂

强度，M P a

Rp0.2Rm

50

100

150

200

水冷

油冷

风冷

埋砂

冲击功，M P a

KV2，-20℃KV2，-84℃

图5 试验钢的力学性能

3 板条组织亚单元晶体学位向关系

分析板条马氏体的形态及晶体学取向关系，对研究马氏体组织对强韧性的影响是非常重要的。图6为板条马氏体的结构示意图，通常认为，一个原始奥氏体

a

b

c

d