冷卻溫度對(duì)鍛態(tài)q345c鋼組織與性能的影響

p345c鋼是一種廣泛使用的低合金高合金鋼。在保證拉張性能的基礎(chǔ)上，提高了鋼的沖擊強(qiáng)度。為了避免在低溫下發(fā)生結(jié)構(gòu)脆碎，增加了氮、磷等細(xì)顆粒的含量。因此，煌板c鋼具有足夠的耐剛性、良好的耐腐蝕性、沖壓形成性能和焊接性能，可用于高壓壓力塔等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。由于我國(guó)東北等地區(qū)冬天氣候寒冷,高壓輸電塔法蘭等工程設(shè)備在冬季服役溫度常常低至-30~-50℃,因此所用材料在低溫下依然保持較強(qiáng)的塑韌性。因此研究材料在低溫下的力學(xué)性能具有重要意義。冷處理是在0℃以下、-100℃以上介質(zhì)中的保溫處,本文研究了Q345C鋼在-30~-50℃的力學(xué)行為,探究了不同冷處理溫度對(duì)鍛態(tài)Q345C鋼低溫組織及其相應(yīng)力學(xué)性能的影響。1實(shí)驗(yàn)材料和方法1.1實(shí)驗(yàn)材料所用實(shí)驗(yàn)材料為270mm×220mm×72mm的鍛態(tài)Q345C鋼,其化學(xué)成分見(jiàn)表1所示。1.2后冷處理后拉伸試樣的制備將電阻爐以15℃/s升溫至380℃后裝入試驗(yàn)材料,將爐溫升至(920±5)℃保溫3h后,空冷至室溫之后,將電阻爐加熱至(700±5)℃保溫3h后空冷至室溫。將經(jīng)熱處理過(guò)的實(shí)驗(yàn)材料加工為標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示的拉伸試樣與金相分析試樣。然后將試樣置于冷處理設(shè)備中,以60℃/min的冷卻速率分別冷卻到0、-10、-20、-40、-50℃,保溫3h后進(jìn)行組織分析與力學(xué)性能測(cè)試。將經(jīng)過(guò)冷處理的拉伸試樣取出后,立即應(yīng)用100T拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),時(shí)間間隔不能大于5s,記錄系列拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。并將冷處理后的試樣使用ZeissImager.Alm金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析。2結(jié)果與分析2.1不同冷處理溫度對(duì)3g45c斷裂韌度的影響將經(jīng)過(guò)不同溫度冷處理后的Q345進(jìn)行拉伸,可以得出其力學(xué)性能指標(biāo)隨處理溫度的變化曲線,如圖2所示。可看到,Q345C鋼力學(xué)性能的變化趨勢(shì),斷裂轉(zhuǎn)變的跡象。材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著冷處理溫度的降低而有所提高。當(dāng)溫度低于-20℃時(shí),其上升速率略高于室溫至-20℃的上升速率。而斷后伸長(zhǎng)率和截面收縮率則隨冷處理溫度降低而減小,在-20~-40℃時(shí)曲線出現(xiàn)較大幅度的減小。當(dāng)?shù)陀?40℃逐漸趨于平緩。一般來(lái)說(shuō),鋼的伸長(zhǎng)率和截面收縮率越小,其塑性越差。因此,隨冷處理溫度的逐步降低,Q345C的塑性逐步降低,而塑性在-20~-40℃冷處理溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)大幅度降低,很可能是由于這些材料在特定低溫冷處理下出現(xiàn)了由韌性斷裂向脆性轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。斷裂韌度反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展即抗脆性斷裂的能力。在塑性形變的條件下,當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子增大到某一臨界值裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料斷裂,這個(gè)臨界或失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子就是斷裂韌度。它是斷裂過(guò)程的宏觀反應(yīng),而延伸區(qū)和韌窩是斷裂過(guò)程在斷口上留下的微觀痕跡,它們之間存在某種依從關(guān)系。由于材料斷裂韌度與屈服強(qiáng)度、斷裂真應(yīng)力以及延伸區(qū)寬度、韌窩直徑之間存在一定的關(guān)系。通過(guò)測(cè)量斷口上韌窩的直徑和延伸區(qū)寬度,就可推算出材料的斷裂韌度。材料斷裂韌度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:應(yīng)用式(1)計(jì)算出不同溫度冷處理后Q345鋼的斷裂韌度,如圖3所示。可看到,Q345C的斷裂韌度KIC隨冷處理溫度降低而減小,且斷裂韌度在-20~-40℃內(nèi)急劇下降,而高于或低于低于此溫度的材料斷裂韌度保持在較穩(wěn)定水平。2.2冷處理溫度對(duì)3g45c鋼晶體的影響經(jīng)不同熱處理和冷處理工藝后的微觀金相組織形貌如圖4所示。從圖4(a)可知,Q345C鋼經(jīng)正火+回火后的組織由鐵素體、珠光體、碳化物組成;由圖4(b)~(f)可看出,由于Q345C鋼中碳含量較高,經(jīng)不同工藝處理后的微觀組織中析出了部分碳化物。隨冷處理溫度的降低,Q345C鋼中的碳化物數(shù)量逐漸增多,且在鐵素體晶界處及內(nèi)部位置上存在較多數(shù)量的細(xì)小碳化物。這主要是因?yàn)榈蜏貢?huì)使基體中產(chǎn)生很大的微觀內(nèi)應(yīng)力以及微變形,使晶體缺陷顯著增加,另一方面也會(huì)使過(guò)飽和碳引發(fā)的點(diǎn)陣畸變?cè)龃?導(dǎo)致析出碳化物的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力增大。因此在隨后向室溫回升的過(guò)程中,碳原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng),導(dǎo)致在晶體缺陷處析出與基體共格的細(xì)小的碳化物。這種鋼基體上析出的彌散細(xì)小的碳化物會(huì)使材料的硬度和強(qiáng)度都有所提高,特別是抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。與此同時(shí)經(jīng)冷處理后的鋼,一方面因組織微細(xì)化,碳化物彌散析出,降低了鋼基體的固溶硬化作用;另一方面該微觀組織中依然存在大量的鐵素體。鐵素體組織對(duì)提高Q345C鋼的韌性和塑性有良好的促進(jìn)作用。因此材料Q345C的拉伸強(qiáng)度會(huì)隨冷處理溫度的降低而提高,且仍具有一定的韌性與塑性。3冷處理溫度對(duì)3g45c鋼的影響(1)低合金高強(qiáng)度鋼Q345C的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨冷處理溫度降低而提高,斷后伸長(zhǎng)率和截面收縮率都隨冷處理溫度降低而減小。但Q345C鋼在冷處理-20~-40℃內(nèi)其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和截面收縮率下降速率出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。Q345C在高于-20℃溫度時(shí)表現(xiàn)為韌性斷裂,而在低于-40℃溫度時(shí)表現(xiàn)的是脆性斷裂,因而Q345C在這些低溫下運(yùn)作時(shí),韌脆轉(zhuǎn)移現(xiàn)象就得必須考慮。(2)隨冷處理溫度降低,Q345C鋼基體