热处理对钢复合板材微观组织与力学行为的影响研究.pdf

冶金与材料第 43 卷热处理对钢复合板材微观组织与力学行为的影响研究于茂松（天津海钢板材有限公司，天津301699）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 43 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.43 No.8Aug.2023摘要：根据不锈钢复合板的双层金属特征，确定了采用高温快冷+低温慢冷的真空热轧成型 316 L/Q345R 复合板的热处理工艺。利用电镜和能谱技术，对热处理前后的复合板样品进行微观组织特性的观测和组分的测量，并对复合界面的微观组织、物相结构和组分的变化进行研究。通过剪切、拉伸和冲击功等实验手段，对两种状态下的样品进行了机械性能的测定，并探讨了微观结构对其机械性能的影响。研究发现，经真空热轧可以获得良好的复合效果，而在热轧样品中，低合金钢的侧面主要是由铁素体、珠光体组成，其机械性能相对较差，而在不锈钢侧面则有更多的铬沉淀。热处理后，样品的微观结构中出现了贝氏体，并使不锈钢一侧的铬再一次发生了固溶。通过热处理，实现多相组织与合金元素界面扩散的协同效应，显著提高板材的强度与抗腐蚀性。关键词：热处理；316L/Q345R 复合板；微观组织作者简介：于茂松（1978），男，天津人，主要研究方向：钢材产品。1不锈钢复合板概述不锈钢复合板材是将底层（Q345R 低合金钢）与多层（316 L 不锈钢）进行冶金复合形成的一种新型板材，不仅可以保证材料的抗腐蚀能力，而且可以在降低不锈钢用量的同时，还可以充分发挥基层的作用，提升其机械性能。在化工、石油、海水淡化等领域，能有效的减少 30%50%原料成本；在船舶和其他行业中有很大的发展空间。异种金属热轧复合过程中存在着多个物理和力学过程，其性能的优劣很大程度上依赖于界面上各组元之间的交互作用。异种金属粘接界面结构及其演变规律是决定其后续加工性能的关键因素。目前，国内复合板材的制造水平与国外相比还存在着技术上的差距，因此如何提高复合板材的综合性能已成为许多科研工作者关心的问题咱1-3暂。2材料制备试验中使用的 Q345R 低合金和 316L 不锈钢作为试验用的组合板材，该复合板用的是真空热轧成型，其过程是：首先，对基础和复层的表面进行处理，并适时地对组坯进行封口，以防止在处理结束后出现表面的氧化，然后在进行焊接和封闭之后，进行真空，将毛坯的温度提高到 11001200，并在经过一定的温度下进行轧制。最终的成品轧制大小为 450mm320mm100mm，组分比例为 0.1。由于对 Q345R 的要求与 316L的高合金化的 316L 钢有很大的区别，因此需要采用不同的热处理工艺。Q345R 热处理是指采用冷却方式来调控微观结构，使其达到工艺需求的强度，而 316L 不锈钢则是要经过固溶处理来增强自身的抗腐蚀能力，所以必须为该不锈钢复合板建立一个单独的、适合于该材料的热处理制度。为保证复合材料板材的机械强度及抗腐蚀能力，避免不锈钢的敏化区间（450850），即在较高温度下进行急冷，在较低温度下进行缓冷咱4暂。在此基础上，对双相诱导塑性 316L/Q345R 复合板和不含空隙的原子钢片进行了分析，并对其组成进行了分析，详情见表 1。表 1316 L/Q345R 复合板胚主要化学成分元素孪生诱发性塑钢无间隙原子钢C0.53%0.01%Mn18.03%0.14%Al-0.03%Ti-0.06%Si-0.003%三层堆垛结构在经过组胚工艺制作成复合胚后，组胚工艺如下：首先在与板坯相邻处通过焊接方式连接三层堆垛，随后在每处焊缝处抽取相邻板坯之间存有空气，最后通过焊接方法密封钻孔。当组合件结束时，在1150下对具有 125mm 的总厚的复合件进行 4h 的加热，然后再次将其热轧成具有 15.7mm 厚的 3 个层状复合件。结果表明：在该工艺条件下，空气冷却到室温时，最终的轧件变形量为 87%，最终的轧件变形量为880。焊接接头没有出现宏观和微观缺陷。316L/Q345R 复合板的上、下表面层的厚度分别为 4.5mm 和 6.7mm。结果表明：ND 值、RD 值和 TD 值分别为 316L/Q345R 复合板的厚度方向，轧制方向和宽度方向。采用 900+1h 空气冷却，900+1h 水冷，1000+1h 空气冷却，1000+1h 空气冷却，以研究不同热处理条件对其微观硬度的影响。两种热处理方法所对应的复合钢板样品分别标184第 8 期注为 316L/Q345R 复合板-A，316L/Q345R 复合板-W，而在热轧之后没有经过热处理的复合钢片样品则标注为Ashot-rolled。3试验方法316L/Q345R 复合板样品的热处理方法是：先将样品在节能箱式电阻炉中加热到 1000并保持 60min，然后再将样品放入油锅中冷却，每 10s 用红外线测温仪测一次，当样品的温度下降到 450左右时，立刻风冷。这种热处理方法既可以避开不锈钢敏化区，又可以确保不锈钢的抗腐蚀灵敏度，又可以方便地使用油冷和风冷的方法，大大减少了对冷却装置的需求。将两个样品磨平，再用 4%（体积分数）硝醇腐蚀，以样品为阳极，在10%（体积分数）草酸溶液中进行电解。利用 200MAT 金相显微镜对其进行了观测，利用能谱分析仪对其进行了分析。按照 GB/T 63962008 的试验方法，测定了样品的剪切强度和拉伸强度，其中，剪切和拉伸的试验是在 CSS-44300 型电子万用仪上进行的，冲击试验是在CBD-500 型电子摆动冲击试验机上进行的，硬度的测定是在 30kN 的 Tukon2100B 型维氏硬度仪上完成的，加载时间是 15s。4试验结果4.1Q345R 侧显微组织Q345R 基层在热轧态及热处理后的微观结构显示。根据基体的厚薄和降温速率的差异，分别对基体表面、芯部和邻近界面进行了显微结构分析。Q345R 面在热轧时以铁素体、珠光体为主，且存在一定的组织梯度。具有快速的表面冷却速率、比较细小的颗粒和结构中的基质是包含少数的珠光体的铁素体。中间部分的降温速率较低，颗粒变得粗大，并成条形，珍珠岩的数量增加。在基础层和多层的接触面明显，而且比较平坦。在靠近边界的地方，珍珠体形成了显著的减小，并且都是由铁素体组成，这表明该区域有某种程度的脱碳。Q345R 面经加热处理后的微观结构以板条状、片状为主，有些微观结构中存在着不规则的小岛状结构，根据加热处理结果可以判定为板条贝氏体和颗粒状结构，除少数的珠光体和铁素体之外，其余均为微细颗粒状结构；在中央及邻近界面附近，珍珠体数明显增多。与热轧时比较，合金的晶粒明显变细，没有形成明显的微观结构梯度，且靠近界面的脱碳层变窄。Q345R 侧微观组织的比较可以看出，在经过了高温快速冷却+低温缓慢冷却热处理后的基层晶粒细化均匀，并得到了软相和硬相结合的复合型组织，可以提高低合金钢侧的力学性能。4.2不锈钢 316L 侧显微组织316L 面的微观结构为单相奥氏体相，具有明显的晶粒边界和规整的多角形结构，详情见图 1。在热轧态下，显微结构呈现出较大的晶粒，且具有均匀的双相界。在复合板粘接界面及晶粒的晶界上，存在着以 Cr 为主的夹杂粒子，这些夹杂粒子的主要成分是 Cr 的碳化物，因为不锈钢中 Cr 的高含量对 C 有很大的吸附作用，在高温下就会生成一种具有高 Cr 含量的稳定碳化物；将造成 Cr 在晶界中的贫化，容易引起晶界的侵蚀。在此基础上，利用变形残留的贮存能为合金的再结晶补充能源，实现了合金的微细晶化，降低了合金的孪晶数量，使合金在高温下出现了一定程度的再结晶。在1000的热处理条件下，从晶粒边缘沉淀下来的碳化物粒子较少，这表明沉淀下来的碳化物重新融入到了结构中。高温使低碳钢中的 C、不锈钢中的 C 及其他金属中的合金成分在界面上发生了快速的扩散，从而使界面上出现了比在晶界上更多的碳化物。图 1不锈钢 316L 侧显微组织（a）（b）50滋m4.3复合板能谱分析对样品界面附近的夹杂粒子和在界面两边一条直线上的元素进行了成分分析，根据点能谱和线扫描的结果显示，在复合材料界面处，以氧化性为主，用点能谱对包裹体进行了研究，结果表明包裹体中均含有 C，O，Mg；Al，Si，Ca；Cr，Mn，Fe 元素。在这些元素当中，Fe于茂松：热处理对钢复合板材微观组织与力学行为的影响研究185冶金与材料第 43 卷属于钢中的内在元素，而 Cr 属于不锈钢侧扩散产生，Si、Mn、Ca 属于钢板内部沉淀（试样用坯料本身含有这几种元素），Al、Mg 属于电阻式加热炉的耐火材料灰尘，沿着裂纹焊缝进入到复合界面处，在温度较高的情况下，Al、Si、Mn 容易向界面扩散，并被氧化形成氧化物。结果表明，在热变形条件下，样品中的 Al 元素最多，表明样品中的 Al 元素主要是 Al2O3。Cr 的浓度高达 10.89%，表明 Cr 在不锈钢中生成了大量的 Cr 元素，使 Cr 元素沉淀，降低了不锈钢的抗腐蚀性。结果表明，在热处理过程中，Si 氧化物的含量以 Si 氧化物为主，Cr 的含量略有下降，仅为 4.5%，这是因为在热处理过程中，采用了一套较好的加热系统，使一些 Cr 的碳化物得到了固化，同时，在较高的温度下，迅速的冷却使 Cr 的沉淀减少，Cr的含量对不锈钢的抗腐蚀性能产生了一定的影响；降低了 Cr 沉淀，从而改善了不锈钢的抗腐蚀性能。从界面两侧线扫能谱中可以看出，Cr、Ni 含量发生了改变。因为高温作用和两边浓度不同，316L 不锈钢中 Cr、Ni 向Q345R 低合金钢侧扩散，并且因为 Cr 在界面两侧具有更高的浓度梯度，所以扩散距离要比 Ni 大。Cr 和 Ni 元素的渗入对不锈钢的抗腐蚀性能不利。Cr 在热轧样品中的扩散间距为 8.2滋m，比 Ni 的要大 3.3滋m。结果表明，在热处理过程中，Cr 和 Ni 分别向不同的方向进行了扩散，Cr 在热处理过程中的扩散范围分别为 14.3滋m 和1.6滋m遥4.4复合板力学性能分析GB/T 81652008 不锈钢复合钢板和钢带 中将不锈钢复合板的最低剪切强度设定为 210MPa，然而在实践中，为了确保界面的良好连接，复合板的接合界面的剪切强度必须不低于复材及基材中的低强度组元材料的剪切强度。Q345 钢板的抗剪强度从 300MPa 到450MPa 不等，因此 316L 钢板与 Q345 钢板的抗剪强度必须大于 300MPa 才能保证与基体的粘接。经过热轧处理的不锈钢复合板样品的剪切强度达到了 338MPa，远远超过了规范规定的 210MPa，也超过了 Q345 钢的抗剪强度的下限，表明了界面连接是好的。由于采用了不同的热处理工艺，使界面两边的金属离子更多地向外扩散，从而消除残留应力，从而获得 397MPa 的剪切强度。热轧样品的屈服强度和拉伸强度分别是 310MPa 和505MPa，处于复合板的下限，延伸率和冲击能量分别是24.7%和 51%，满足了实际需求。结果表明，在该试验条件下，由于在该试验条件下，该试验样品的晶体为铁素体或珠光体，其硬度值偏低，而且其晶体大小偏大，另外，该试验还与该试验的残余应力相关。但是，在采用了高温快速冷却+低温缓慢冷却的热处理制度之后，复合板中的结构会发生多相变化，晶粒会被进一步的细化，从而导致了样品的屈服强度可以达到 365MPa，抗拉力可以达到 575MPa，这比热轧样品的要显著的多，一般情况下，在冷变形状金属的强度得到了提升的时候，还会出现显著的塑性下降。经热处理后，样品的延展性达到了 22.2%。在接近热轧条件下，拉伸强度可达 123J，拉伸强度显著增加。通过对不同工艺条件下的材料进行了比较，得出了不同工艺条件下材料的力学性能有了较大的改善。5结论（1）经过热处理的复合板 Q345R 侧的微观结构呈逐渐变化的结构，主要是由铁素体的珠光体和铁素体组成，其中有大量的 Cr 沉淀在 316L 一侧的碳化物。结果表明，在热处理时，合金的微观结构中存在着大量的贝氏体能产生，并且存在着两相复合和晶粒细小的现象。降低了 Cr 在晶界处的沉淀。（2）采用真空热轧可以实现两种材质的更好的复合，而且两种材质之间的接触面是平坦的，经过加热后的板材的力学性质得到了改善，表明采用了高温度快冷+低温度慢冷的方法来进行 316L/Q345R 板材的热处理是合适的，而且这种方法容易实现。（3）多相结构及细晶对复合钢板的综合强度有一定的影响，而合适的合金成分的扩散则对复合钢板的综合强度有一定的影响。参考文献1 戴辰阳.碳纤维增强建筑复合板材与钢件的粘接效果及影响研究 J.粘接，2023，50（5）：36-39.2 王鹏举，钟宁，赵淑杰，等.退火对AlSn20Cu-钢轴瓦复合板材组织与性能影响 J.轻金属，2023，（3）：48-52.3 苏艳妮，薛少博，王国栋，等.热处理温度对高纯铌-无氧铜爆炸焊接复合板材组织及性能的影响 J.稀有金属，2022，46（10）：1306-1313.4 万瑞霞.钛-钢复合板拉伸力学性能研究 J.中国建材科技，2022，31（1）：65-67.186