董艳伍, 彭飞, 田家龙, 姜周华
东北大学 冶金学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2021-04-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51874084); 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N2125026)。
作者简介：董艳伍(1978-)，男，辽宁铁岭人，东北大学教授，博士生导师;
姜周华(1963-)，男，浙江萧山人，东北大学教授，博士生导师。

摘要：基于富Cu相和NiAl(Mn)相复合沉淀析出强化的方式设计了一种新型高强度舰船用钢10Ni10Mn2CuAl, 探究了时效处理工艺对10Ni10Mn2CuAl钢的组织及性能的影响.采用Thermo-Calc软件对析出相析出温度和含量进行理论计算, 采用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)对基体典型夹杂及对时效处理后组织进行了分析, 并进行了性能测试.研究结果表明: 钢中富Cu相析出温度区间为300~606 ℃, 最高质量分数为1.41 %.随时效时间增加, 马氏体板条呈现粗化到细化演变, 硬度增加到峰值后趋于稳定.随时效温度升高加速析出相析出过程, 硬度达到峰值的时间缩短.在最佳热处理工艺下(500 ℃时效24 h), 实验钢屈服强度为1 435.51 MPa, 抗拉强度为1 555.42 MPa, 延伸率为8 %, 综合性能达到最优.
关键词：热处理复合析出马氏体钢强塑性显微组织
Effect of Aging Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of 10Ni10Mn2CuAl Steel
DONG Yan-wu, PENG Fei, TIAN Jia-long, JIANG Zhou-hua
School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: DONG Yan-wu, E-mail: dongyw@smm.neu.edu.cn.

Abstract: A new type of high-strength marine steel with the composition of 10Ni10Mn2CuAl was designed by means of precipitation strengthening from hybrid Cu-rich and NiAl (Mn) phases, and the effect of aging treatment on microstructure and mechanical properties of the 10Ni10Mn2CuAl steel was studied. The precipitating temperature and the phase content of the precipitations were calculated by Thermo-Calc software. The typical inclusions in the matrix and microstructure after aging treatment were analyzed by optical, scanning electron microscopes, the hardness and room-temperature tensile tests were carried out. The results show that the precipitating temperature of Cu-rich phase is in the range of 300~606 ℃ and the maximum content of the precipitation is 1.41 %. With the aging time increasing, the martensitic lath changes from the coarse grain to the refined one, corresponding to the hardness reaching the maximum and then becoming stable. Meanwhile, as the aging temperature increases, the time to reach the maximum hardness is shortened owing to the precipitation process accelerated by higher temperature. Under the heat treatment of the aging at 500 ℃ for 24 h, the best performance of the experimental steel is achieved with yield strength of 1 435.51 MPa, tensile strength of 1 555.42 MPa and elongation of 8 %.
Key words: heat treatmentcomposite precipitationmartensitic steelhigh plasticitymicrostructure
世界大型水面舰船用钢的发展方向为高强度、高塑性和易焊性能.随着现代冶金技术的不断进步, 舰船用钢的综合性能不断提高, 舰船的防御性、战斗性和安全性都显著提升.经过近70年的研究与发展, 我国经历了从进口、仿制到自主研制, 形成一系列应用于核潜艇和水面舰船的钢材, 屈服强度在390~785 MPa级别不等^[1-2].
美国HSLA(高强度低合金钢)系列钢通过低碳低合金的设计思路, 采用DQT或Q&T工艺, 使得屈服强度最高达到了890 MPa, 并同时有效消除或减少了焊接时的预热温度, 改善了焊接性能, 焊接时抑制了焊缝热影响区的开裂^[3-4].近年来美国西北大学^[5]通过添加Ni-Al元素实现NiAl与Cu复合沉淀析出强化开发了NUCu-140, 其中铜质量分数为1.36 %, 使得材料的屈服强度达到965 MPa, 可应用于核潜艇耐压壳体的建造.Hou等^[6-7]通过改进含铜7Ni钢的热处理工艺, 将屈服强度提高到819 MPa, 发现富铜相的析出对强度的提高有重要的贡献, 对含铜6Ni钢采取多步热处理的工艺改进试验, 将韧性由8 J提高到38 J, 发现强度的下降可能与位错密度有直接关系.
相比国外舰船用钢的发展与现状, 我国现役钢种主要依赖碳强化, 从而导致材料的焊接性能差, 在Cu析出强化超高强钢方面的基础研究刚刚起步.目前国内外关于富Cu相和NiAl(Mn)复合沉淀强化对高强度舰船用钢性能的影响亟需试验验证.因此本文以超低碳设计为基础, 添加Mn元素, 以富Cu相和NiAl(Mn)复合析出强化的方式^[8], 探究热处理工艺对其组织与性能的影响.
1 实验材料及方法实验钢使用25 kg真空感应炉熔炼并浇注成型, 使用氮氧测试仪、磷硫分析仪、直读光谱仪对成分及元素进行测定, 其主要化学成分(质量分数, %)为: C 0.02, Si 0.03, Mn 1.99, Al 0.78, Cu 1.48, Ni 10.28, V 0.12, Cr 1.11, Mo 0.96, S 0.009, P 0.004, O 0.000 5, N 0.004 2, 其余为Fe.采用钨灯丝扫描电子显微镜对夹杂物形貌观察, 使用ASPEX软件对夹杂物尺寸和数量统计分析.
将铸锭加热到1 250 ℃保温5 h, 随炉冷却后锻造成尺寸24 mm×80 mm的锻坯, 沿锻坯横向取得试样, 在箱式电阻炉中1 050 ℃保温1 h后水淬, 冷却至室温后, 在450~550 ℃进行1~24 h的时效处理, 之后空冷至室温.热处理后试样使用4 % 硝酸乙醇溶液腐蚀, 采用光学显微镜对组织观察分析, 使用洛氏硬度计进行显微硬度测试并绘制时效硬化曲线.
分析时效硬化曲线对理论上最佳性能的试样进行拉伸试验.根据GB/T228.1—2010《金属材料室温拉伸试验方法》制备标准拉伸试样, 尺寸如图 1所示.使用岛津AGS-X电子拉伸试验机进行试验, 采用位移加载控制方式, 拉伸速度为1 mm · min^-1, 采用扫描电子显微镜对拉伸测试后的断口形貌观察分析.
图 1(Fig. 1)

图 1 拉伸试样尺寸图(单位: mm)Fig.1 Sample dimensions in tensile test(unit: mm)

2 结果与讨论2.1 理论计算分析使用Thermo-Calc软件对其平衡相图及析出相进行理论计算分析, 计算结果如图 2所示.对析出相的析出温度进行理论计算.根据图 2可以看出, 400~1 200 ℃温度范围内, 除铁素体和奥氏体外, 还存在M₆C碳化物相、Laves相、G相、富Cu相和M(C, N)相的析出.在763~1 470 ℃温度范围内, 奥氏体是唯一存在的平衡相.在763 ℃以下, 奥氏体向铁素体开始转变.M(C, N)相的析出温度区间为760~559 ℃.700 ℃时, M₆C碳化物逐渐开始析出, 550 ℃开始趋于稳定, 质量分数为0.8 %.606 ℃时, 富Cu相开始析出.G相在347 ℃开始析出, Laves相在420 ℃开始析出.虽然Laves相使材料具有优异的高温力学性能, 但其通常会导致钢的室温脆性倾向大和断裂韧性低^[9-10], 为避免其他析出相对钢的性能的影响, 时效温度会依次进行调整, 确定时效温度为450, 500, 550 ℃, 此时富铜相的质量分数分别为0.94 %, 0.72 %, 0.45 %.
图 2(Fig. 2)

图 2 300~1 600 ℃之间的平衡相图Fig.2 Equilibrium phase diagram at 300~1 600 ℃ (a)—所有析出物的总图；(b)—析出相特写图.

2.2 夹杂物分析钢中非金属夹杂物的分布密度、尺寸和种类是影响其性能的关键因素, 通过引入元素, 调整工艺等方法控制钢中非金属夹杂物是提高性能的关键^[11].使用扫描电镜对钢中典型夹杂物进行分析, 如图 3所示, 钢中的典型夹杂物呈球形的Al₂O₃, SiO₂, MnS和微量的钙硅酸盐夹杂物.其中MnS夹杂物直径为1~4 μm, 为菱形有尖角边和长条状无尖角两种形貌, 部分MnS中含有2 % ~3 % 的铜元素, 5 % 左右的Ni元素.S与Mn的结合, 有效消除了低熔点FeS带来的危害.Al₂O₃和Al₂O₃-MnS复合夹杂物呈不规则形状其直径大小约为2 μm, SiO₂夹杂物主要呈球形其直径约为5 μm.
图 3(Fig. 3)

图 3 典型夹杂物形貌和成分图Fig.3 Morphology and composition of the typical inclusions (a)—MnS; (b)—MnS; (c)—SiO2; (d)—MnS-Al2O3.

采用ASPEX软件对钢中夹杂物数目、尺寸进行了统计分析.结果表明钢中夹杂物尺寸较小, 平均直径为2.22 μm, 总面积占比百分数为0.08 %.夹杂物尺寸分布如图 4所示, 其中大部分夹杂物尺寸为0~5 μm, 占比81.6 %, 尺寸大于10 μm的夹杂物全部为Al₂O₃, 占比0.9 %.钢中典型夹杂物Al₂O₃, MnS和SiO₂占比分别达到64.3 %, 14.7 % 和3.9 %, 其中90.1 % 的Al₂O₃夹杂尺寸为1~3 μm, 这与众多铝脱氧钢的规律性一致^[12-14].
图 4(Fig. 4)

图 4 夹杂物尺寸分布图Fig.4 Size distribution of the inclusions

2.3 时效时间对组织的影响对时效温度为500 ℃不同时间的试样显微组织观察, 如图 5所示, 结果表明, 未时效(固溶态)的试样(图 5a), 马氏体板条位向明显, 板条束细小且分布均匀, 时效时间为2 h时(图 5c), 马氏体板条粗化, 板条束发生合并现象, 随时效时间的增加(图 5f~图 5h), 板条束细化并趋于平稳, 其原因可能是随时效时间的增加, 粗大的板条束发生溶解, 由于复合析出相的形核, 使板条束发生细化.板条束细化有利于单个晶粒内板条界增多, 晶界阻碍位错运动的能力增强, 从而对塑形有一定的提升作用.
图 5(Fig. 5)

图 5 500 ℃下不同时效时间下的金相组织图Fig.5 Microstructure from optical microscope under different aging time at 500 ℃ (a)—0 h; (b)—1 h; (c)—2 h; (d)—4 h; (e)—8 h; (f)—10 h; (g)—12 h; (h)—16 h.

2.4 时效处理对硬度的影响时效处理后的时效硬化曲线如图 6所示, 在三种时效温度短时间内, 硬度迅速升高到峰值硬度范围.500 ℃时效时, HRC硬度迅速上升后在4 h达到峰值50.4, 而后缓慢下降.550 ℃时效时, HRC硬度仅在2 h达到峰值44.97, 而后迅速下降.450 ℃时效时, 随时效时间的增加, 硬度先增加达到峰值后存在小幅度下降趋于稳定, 峰值时效时间为12 h, 峰值HRC硬度为52.84.由图可见, 随时效温度的提高, 硬度达峰值时间逐渐缩短, 说明温度对时效的影响较大.
图 6(Fig. 6)

图 6 不同时效温度下硬度随时效时间的变化曲线Fig.6 Variation of the hardness with the aging time at different aging temperature

时效处理过程中, 铜、镍、铝、锰等元素充分溶解到基体中形成过饱和固溶体, 短时间时效后, 由于元素间强烈的相互作用, 元素在基体中形成溶质团簇^[15], 随时效时间增加, 团簇密度不断增加, 分解为NiAl(Mn)相和富Cu相, 复合沉淀析出, 此时硬度达到峰值^[16-17].
硬度的变化与时效过程中组织演变有直接的关联, 根据2.3节组织的演变规律分析, 时效初期, 马氏体板条先是迅速粗化, 此时硬度迅速升高达到峰值, 随着时效的进行, 板条逐渐细化, 硬度缓慢下降后趋于稳定, 因此可以推断马氏体板条越细, 硬度值越低.
2.5 时效处理对拉伸性能的影响根据时效硬化曲线优选出的试样进行拉伸试验, 屈服强度和延伸率的关系如图 7所示.固溶(GR)态时, 屈服强度为749.66 MPa, 延伸率为16 %, 时效温度450 ℃时, 时效时间由2 h增加到峰值时效12 h, 屈服强度提高了453.30 MPa, 延伸率提高了2 %.500 ℃时效12 h时, 屈服强度为1 452.23 MPa, 延伸率为3.9 %, 随时效温度的增加, 强度有所降低, 塑性增加到3.9 %, 500 ℃时效24 h时, 屈服强度1 435.50 MPa, 延伸率为8 %, 综合性能达到最佳.结合前述结果综合来看, 随着时效时间从12 h到24 h, 由于析出相的沉淀析出和板条束的细化共同作用, 使塑性有明显提高.
图 7(Fig. 7)

图 7 不同时效处理制度的拉伸性能Fig.7 Tensile properties of the experimental steel after different heat treatment

2.6 断口形貌分析对优选试样的断口形貌观察分析, 如图 8所示.450 ℃下时效2 h时, 如图 8b圈中所示, 其断裂方式为沿晶断裂和解理断裂方式结合.时效12 h, 如图 8d所示, 晶界处出现大量韧窝, 断裂方式为沿晶断裂和韧窝型断裂相结合.500 ℃时效12 h, 如图 8f所示, 断裂方式为典型的准解理性断裂, 可以观察到大量的“河流状花样”形貌.继续时效到24 h, 如图 8g, 图 8h所示, 出现大量韧窝, 断裂方式为塑性断裂, 韧窝密度较大, 但深度较浅, 界面内存在少量舌状裂纹, 韧窝深度较浅是影响塑性的主要原因, 这与上述的拉伸性能是一致的.
图 8(Fig. 8)

图 8 拉伸断口观察Fig.8 Tensile fracture observation (a), (b)—450 ℃-2 h; (c), (d)—450 ℃-12 h; (e), (f)—500 ℃-12 h; (g), (h)—500 ℃-24 h.

3 结论1) 在优化的热处理工艺下(固溶和500 ℃时效24 h), 新型舰船用钢的屈服强度为1 435.5 MPa, 延伸率为8 %.
2) 随时效时间增加, 马氏体板条存在由细化到粗化到细化的转变, 为复合析出相易在界面析出的现象提供了有益的条件.硬度先升高后降低, 之后逐渐趋于稳定, 延伸率由3.9 % 升高到8 %, 断裂方式由“河流花样”型解理断裂转变为韧窝型断裂.
3) 随时效温度升高, 达到硬度峰值的时间由12 h向2 h逐渐缩短, 温度的升高促进了复合析出相的形核与长大, 欠时效到过时效的进程加快, 峰值硬度不断下降, 时效温度为550 ℃时, 析出相析出后快速长大和粗化, 导致硬度迅速下降.
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