摘要：为了改善矿用支护型钢的强韧性，研制了型钢控冷热处理生产线并且研究了控冷对普通碳钢组织和性能的影响。试验结果表明，通过调整控冷装置的运行参数（p／v值）可有效地控制普通碳钢的力学性能。Q235和Q275钢的屈服强度经控冷后提高50％以上而其伸长率（δ5）分别保持在20％和16％。分析了钢的控冷强化机制以及铁素体和魏氏组织铁素体对钢的性能的影响。
关键词：控冷 普通碳钢 组织 性能 魏氏体
1 前言
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。
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
试验用钢的化学成分示于表1。表1 试验钢的化学成分 w（％）
 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。
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
3.1 显微组织
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。
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 （c） 880℃×12min，p／v＝12
图2 Q275钢控冷后的显微组织
（a） 900℃×30min，p／v＝10 （b） 900℃×20min，p／v＝11 （c） 900℃×20min，p／v＝25
3.2 力学性能
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／
MPa | σb／
MPa | δ5
（％） | αku／
J.cm－2 | 1
2
3
4
5 | 900℃×30min
900℃×20min
900℃×20min
900℃×20min
热轧 | 控冷
控冷
控冷
调质
— | 10
11
25
—
— | 484
472
532
531
309 | 714
713
745
715
564 | 19
25
25
26
30 | 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／
MPa | σb／
MPa | δ5
（％） | 6
7
8
9
10 | 920℃×12min
920℃×12min
880℃×7min
920℃×12min
热轧 | 控冷
控冷
控冷
调质
— | 10
12
10
—
— | 459
477
390
510
274 | 617
604
553
621
430 | 21
21
24
26
30 |
Q275钢控冷后的屈服强度可提高50％，伸长率虽然降低但仍可达到16％以上，与该钢调质后的力学性能基本相当。尽管控冷后钢的冲击韧度降低比较明显，但在一定程度上仍满足钢的使用要求［4］。试样1的冲击韧度偏低，这与钢中形成魏氏组织和组织粗大有关，将在后面讨论。经控冷处理Q235钢的屈服强度亦可提高50％以上，尽管伸长率下降较大，但仍可保持在20％以上。另外，试验显示由于Q275钢在高温停留时间过长，导致其晶粒粗大，如同试样1相比（组织形态与图2a相同），其力学性能尤其韧塑性显著降低；相反，适当延长Q235钢的加热温度和保温时间，使其奥氏体化更加充分，则有利于其力学性能的提高，如表3中试样6和试样8的试验结果。
3.3 魏氏组织铁素体对钢控冷性能的影响
关于魏氏组织铁素体在钢中的作用众说不一。多数认为魏氏组织铁素体降低亚共析钢的塑韧性，尤其降低钢的冲击韧度，但也有许多相反的试验结果和观点，即只要保证钢的奥氏体晶粒度与其它条件相同，魏氏组织不仅不降低而且能够改善钢的冲击韧度和塑性［3，5，6］。
图3 普通碳钢珠光体片间距的变化
（a） 原始组织珠光体 （b） 控冷处理组织珠光体
由表2可见，试样1和试样2的硬度和强度几乎相同，但前者的伸长率和冲击韧度却比后者低得多，而且两者的断口特征明显不同。由图4可见，具有4～5级晶粒度的粗大晶粒的试样1的冲击断口几乎全部为结晶状断口，其结晶区为典型的解理断裂，解理小平面大，具有完整的河流花样（见图4a）；而晶粒度约为6级的细小晶粒的试样2的冲击断口结晶区只占断口表面的60％～70％，尽管其结晶区也属解理断裂，但其解理小平面小且其河流花样不完整（见图4b）。而相应的试样的拉伸断口的形态却基本相同，均为韧窝状塑性断口，如图5所示。少许的差别是试样1的断口表面韧窝（图5a）略小于试样2（图5b）的。应该强调的是，在两种工艺条件下获得的组织中都含有魏氏组织铁素体，不同的是两种工艺中的加热时间不同，导致其组织粗细不同。显然，造成试样1的塑性和韧性降低的因素是晶粒粗大而非魏氏组织。也可以理解为试样2中的魏氏组织并没有影响钢的力学性能。因此可以说，钢中魏氏组织铁素体对钢的性能的影响取决于钢的晶粒大小。
图4 冲击试样断口电子显微形貌
（a） 试样1 （b） 试样2
图5 拉伸试样断口电子显微形貌
（a） 试样1 （b） 试样2
3.4 铁素体的含量和硬度对钢的性能的影响
Q235钢在控冷过程中形成的铁素体的硬度随着组织中铁素体相对含量的降低而提高，这与位错强化有关［7］。由于奥氏体化后钢在控冷过程中的实际冷速较高，铁素体中的位错密度增加，导致铁素体硬化。另外，进一步增加冷速可形成贝氏体或马氏体，与这些组织转变相邻区域的铁素体可产生塑变硬化［8］。实测铁素体硬度结果表明，在控冷处理过程中，铁素体的硬度随其含量的降低而增加，见图6，钢中铁素体含量为35％时的硬度比含量为80％时的硬度增加了70HV0.1。在试验条件下，组织观察显示当控冷速度达到一定值后，钢中的珠光体量增加不再明显，且当珠光体量增加到一定程度后，其硬度值反而降低，此时，铁素体的硬化就成为钢控冷强化的主要因素；进一步增加冷速，钢中形成贝氏体和马氏体，当贝氏体和马氏体转变量很小时，其主要强化因素依然为铁素体硬化。在亚共析钢中，钢的硬度与铁素体和珠光体的含量之间一般遵从混合律的关系。依据实测的铁素体和珠光体的硬度及其相对含量，按照混合律计算的钢的硬度值与实测的钢的硬度值是非常一致的，见图6，而用简单的铁素体和珠光体的硬度（不变的硬度值）按照混合律计算的钢的硬度则与实测值明显不符。由此亦可知铁素体的相对含量及其硬度的变化在Q235钢控冷强化处理中的作用。在Q275钢中，为了保证钢的足够的韧塑性，铁素体量的变化范围较小，其硬化现象和作用表现的不明显。
图6 铁素体的硬度与其相对含量的关系
1.珠光体的硬度HV 2.铁素体的硬度HV
3.试样的实测硬度HRC 4.按混合律计算的计算HV
3.5 普通碳钢控冷强化机制
Q235和Q275钢控冷后的强化主要源于控冷处理后钢中的珠光体量增加、珠光体和铁素体细化以及快冷导致的铁素体位错增加强化。在一定的冷速范围内，随着p／v值的提高，钢中的珠光体量不断增加而珠光体片间距不断降低，因而钢的强度随之不断提高；而当冷速超过一定值后，钢中珠光体量的增加不再明显，此时铁素体的硬化和组织细化成为普通碳钢快冷强化的主要因素。与一般处理不同的是，控冷强化处理的同时，经过调整控制冷却速度可以得到钢的强度和塑性的最佳配合即最佳的综合力学性能，而不必再经过其它的处理措施。
4 结论
（1）控冷处理可有效地提高普通碳钢的强度，其冲击韧度和伸长率可保持在较高范围以满足使用要求。普通碳钢的控冷强化机制是钢中珠光体量的增加、珠光体和铁素体的细化以及铁素体硬化。
（2）通过调整控冷喷水装置的喷水压力和型钢的运行速度，即p／v值，可以很方便地获得型钢所需的力学性能。
（3）在控制奥氏体晶粒的条件下，Q275钢在控冷过程中形成的魏氏组织铁素体并不降低钢的冲击韧度和拉伸塑性；在控冷过程下，魏氏组织的形成取决于控冷速度而与加热条件无关。
（4）Q235钢控冷过程中形成的铁素体的硬度随钢中铁素体量的降低和冷却速度的增加而提高。铁素体的硬化有助于钢的控冷强化。
（5）适当提高加热温度和保温时间有利于Q235钢组织的稳定，增加珠光体的转变量，而长时间保温导致Q275钢组织粗大，使钢的塑韧性严重降低。
孙 智：博士，35岁，副教授。主要从事金属材料及热处理和机械零件失效分析的科研与教学，已发表论文近30篇。本文为统配煤炭工业总公司重点课题并得到煤炭优秀青年教师基金资助，获煤炭工业部科技进步三等奖。
《参考文献》
[1] 江 利，孙 智.U型钢热处理工艺与性能研究.煤炭科学技术，1993（6）：35
[2] 孙 智，张晓光，吴再生.小直径锚杆的控冷热处理工艺研究.中国矿业大学学报，1994，23（2）：66
[3] 刘继恒，赵 明，吴秀贞等.ZG25钢中魏氏组织对力学性能的影响.金属热处理学报，1985，6（1）：19
[4] 江 利，孙 智.Q275钢控冷工艺与性能研究.金属热处理，1993：（3）
[5] 黄 正，姚 枚，范莹龙等.F形态和分布对低碳钢低温断裂行为的影响.金属学报，1987，23（3）：A223
[6] 刘继恒，赵 明，钱汉英等.魏氏组织F的亚结构及其对裂纹扩展的影响.金属学报，1986，22（5）：A448
[7] 沈显璞，雷廷权，李大军等.组织分布及低温回火对双相20钢拉伸性能的影响.金属热处理学报，1984，5（1）：30
[8] 王传雅，王敬中.亚温淬火时α相形态和α相量对钢的强韧性的影响.金属热处理学报，1985，5（1）：52(end)
| 
