控冷热处理对普通碳钢组织和性能的影响

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　　1前言

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　　Q235和Q275等普通碳素钢以其优异的性能价格比，在矿山工业和其它领域得到广泛应用。长期以来，普通碳钢主要以热轧状态使用。尽管在热轧状态下，普通碳钢具有较高的塑韧性，但其强度却偏低，这似乎可以解释为什么许多这类钢构件常常失效的原因，这也限制了这类钢的更广泛的应用。因此，通过热处理提高这类钢的强度，同时又保持其相对较高的塑性是很有必要的。

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　　节能是当今热处理发展的一个重要趋势，其中控制冷却热处理是一种有效的节能热处理技术，得到越来越多的重视，各国在理论和应用方面进行了大量的研究。中国矿业大学自1990年开始对矿用型钢的控冷热处理工艺、控冷对普通碳钢组织和性能的影响进行系统研究，研制了型钢控冷热处理生产线，并用于U型钢和I字钢等矿山支护用钢［1］以及小直径可拉伸高强度锚杆［2］的强化处理，取得了较好效果。本文主要研究控冷前后钢的组织和性能的变化，探讨普通碳钢控冷强化机制以及控冷过程中出现的魏氏组织等对钢的力学性能的影响。

　　2试验方法

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　　试验用钢的化学成分示于表1。

　　表1试验钢的化学成分w(%)

+ t# x, ^3 z2 q' n ~

　　钢号C Mn Si S P

0 a$ G: ~" A f, T V7 P0 c) ~

　　Q235

1 h2 J6 y9 ~- m v' Z

　　Q275 0.17

' J* p) V% n5 g7 G9 ^& k & C5 J8 A' s5 y$ g' h0 e

　　0.34 0.43

3 a9 }, F) o4 f/ ^+ e

　　0.66 0.20

　　0.24 0.046

+ t' }4 h$ C; x3 _1 s6 \9 E& Y

　　0.019 0.007

　　0.023

　　Q235钢试样取自φ12mm的热轧圆钢，Q275钢为热轧U型钢和I字钢，试验用钢的长度约400mm～1200mm。在75kW井式炉中加热。加热后的型钢在辊式输送机上通过控冷装置喷水冷却，冷却速度通过调整控冷装置的喷水孔的直径、数量、分布和喷水压力以及型钢的运行速度加以控制。为了使控冷后型钢的变形满足使用要求，必须仔细调整控冷装置中的喷水孔的大小、数量和分布。当这些参数确定后，钢的冷却速度主要取决于喷水压力p和型钢通过喷水装置的速度v。试验表明可以用p／v值来表征型钢的冷却速度，可以通过调节p或v来调节型钢的实际冷速，这给实际生产的控制提供了极大的便利。

　　拉伸和冲击试验分别在W-60万能材料试验机和JB-30B冲击试验机上进行。试样分别从控冷后的型钢上截取，冲击试样为标准梅氏冲击试样。

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　　应用Newphot光学显微镜和S-250扫描电子显微镜观察和分析钢的微观组织和断口形态。

　　3试验结果和讨论

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　　3.1显微组织

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　　图1和图2示出Q235和Q275钢控冷后的典型组织。控冷后两种钢中的珠光体的相对含量明显增加，珠光体和铁素体细化，显然，这与控冷时冷速较正火时冷速大有关，而且，随冷速增大即p／v值增加，珠光体含量的增加和组织细化更加显著。珠光体的层片间距在控冷处理后显著降低，如图3所示。加热时适当地提高加热温度和保温时间对控冷后组织的稳定是有利的，但加热温度过高或保温时间过长会导致奥氏体晶粒粗大，抵消控冷细化铁素体和珠光体的有利作用。另外，在控冷Q275钢组织中有二次魏氏组织铁素体形成，这可能与钢的含碳量和一定的冷却速度有关，在Q235钢的控冷处理试验中未发现魏氏组织。文献［3］中指出，魏氏组织的形成与加热温度关系不大，而取决于奥氏体化后的冷却速度。本试验中，图2a和2b的加热条件不同，但随后的冷却速度基本相同，都形成魏氏组织，这表明在普通碳钢控冷中魏氏组织的形成与冷却速度有关系，而加热温度影响不大。从图2中还可看出，魏氏组织不仅在基体组织粗大时形成，在正常组织中也可形成。Q235钢中未发现魏氏组织，可能试验条件下的冷却速度不适合该钢中魏氏组织的形成。随控冷速度进一步提高，钢中除铁素体和珠光体转变外，有部分贝氏体和马氏体形成。在Q275钢中形成贝氏体和马氏体，钢的强度显著提高，韧性显著下降，不能提高钢的综合性能。而在Q235钢中，适量的贝氏体和马氏体的形成，有利于钢的强度的提高，其韧性仍可满足使用要求，对钢的综合性能是有利的。

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图1　Q235钢控冷后的显微组织　×400 （a）　920℃×12min，p／v＝10　（b）　920℃×12min，p／v＝12 3 A$ ~' B% V# M0 P2 Q, O. x7 O. F% n（c）　880℃×12min，p／v＝12 - f* Y- ~9 g( |3 P# E

图2　Q275钢控冷后的显微组织 3 s4 W* H/ R0 o1 l- e* t* k# e（a）　900℃×30min，p／v＝10 （b）　900℃×20min，p／v＝11　（c）　900℃×20min，p／v＝25

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　　3.2力学性能

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　　控冷处理前后的Q275和Q235钢的部分力学性能试验结果列于表2和表3。为了便于比较，它们的调质状态的力学性能也列于表中。试验结果显示，控冷处理后钢的屈服强度和断裂强度明显增加而伸长率有所降低，其变化幅度受控于加热后的冷却速度即p／v值，适当地调整p／v值，可得到不同的强度和塑韧性的配合。

表2　Q275钢的室温力学性能

试样号	处理工艺	冷却 方式	p／v	σ0.2／ 2 c2 Z* ^( r; W* e# j1 e' fMPa	σb／ MPa	δ5 - t3 A9 k0 Q* Z Z（％）	αku／ 0 J" y9 T0 j8 m- V3 WJ.cm－2
1 2 J3 _' }) h# m- @1 W& ~6 c2 # V C( m+ t. K+ p1 W% F% D) ?& K3 ) H/ q. q7 T# \8 j* }4 - Q7 z- H/ Q) R. y5	900℃×30min ( N: T+ d' E; ^5 x4 ~900℃×20min ; w. F& F! h L! J900℃×20min " c: k' P1 J1 ~) H900℃×20min 7 \; n2 S* v6 J( ^+ T热轧	控冷 控冷 5 n+ u' D0 R# e: b5 J( T控冷 0 Q* V8 ^4 C" e* u调质 8 N) F3 n( n2 W—	10 0 j/ W- d& ^ j* h) a7 [" J11 25 * W! q& E1 O' l! v* J$ O— —	484 4 G( o B) _ P7 M472 $ B& A$ e% O% ^4 o$ I6 Z: o532 531 309	714 @. x! g% ~/ y4 I713 745 2 m" c2 W1 d8 W+ Y: Z715 % t7 w% {5 Y$ [3 m564	19 . H/ x- g* ?) q+ E9 B% j& r/ w9 Y25 25 6 V0 m: X, d% v x& L v% _26 3 `+ y: u/ A; s7 f30	11 93 153 196 172

表3　Q235钢的室温力学性能

试样号	处理工艺	冷却方式	p／v	σ0.2／ , E o1 q; r; P& V$ _8 GMPa	σb／ MPa	δ5 9 ~9 n: \( ^9 ?9 w) K（％）
6 " b% _5 h- \# f# y, |& B7 8 9 1 Y* m1 v: j0 p% o" \$ i1 v10	920℃×12min 920℃×12min 880℃×7min v! `( U1 a0 M: |; e$ H920℃×12min " j' s( N2 c% H6 A- J热轧	控冷 控冷 " _8 r5 [' }- X( \控冷 调质 0 j4 U" S2 _% S7 q3 n—	10 12 6 i, Y8 m3 b' \* u3 c10 — —	459 477 8 H# b D5 ^( ~* _, Z390 / }. c M4 l7 H6 v, p: {0 a8 D" K510 / u! z# ~4 E" z. d) V" b$ T% f274	617 604 9 b$ T/ s8 M& h& R7 ]" _ K% X553 " q% r7 F& ?$ |: P! w) t- Q621 . J, C. a% ?; `6 I430	21 21 24 26 30