1　前言
　　Q235和Q275等普通碳素鋼以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，在礦山工業(yè)和其它領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。長期以來，普通碳鋼主要以熱軋狀態(tài)使用。盡管在熱軋狀態(tài)下，普通碳鋼具有較高的塑韌性，但其強(qiáng)度卻偏低，這似乎可以解釋為什么許多這類鋼構(gòu)件常常失效的原因，這也限制了這類鋼的更廣泛的應(yīng)用。因此，通過熱處理提高這類鋼的強(qiáng)度，同時(shí)又保持其相對(duì)較高的塑性是很有必要的。
　　節(jié)能是當(dāng)今熱處理發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，其中控制冷卻熱處理是一種有效的節(jié)能熱處理技術(shù)，得到越來越多的重視，各國在理論和應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的研究。中國礦業(yè)大學(xué)自1990年開始對(duì)礦用型鋼的控冷熱處理工藝、控冷對(duì)普通碳鋼組織和性能的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，研制了型鋼控冷熱處理生產(chǎn)線，并用于U型鋼和I字鋼等礦山支護(hù)用鋼^［1］以及小直徑可拉伸高強(qiáng)度錨桿^［2］的強(qiáng)化處理，取得了較好效果。本文主要研究控冷前后鋼的組織和性能的變化，探討普通碳鋼控冷強(qiáng)化機(jī)制以及控冷過程中出現(xiàn)的魏氏組織等對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響。

2　試驗(yàn)方法
　　試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分示于表1。

表1　試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分　w（％）控冷熱處理對(duì)普通碳鋼組織和性能的影響

3　試驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1　顯微組織
　　圖1和圖2示出Q235和Q275鋼控冷后的典型組織?？乩浜髢煞N鋼中的珠光體的相對(duì)含量明顯增加，珠光體和鐵素體細(xì)化，顯然，這與控冷時(shí)冷速較正火時(shí)冷速大有關(guān)，而且，隨冷速增大即p／v值增加，珠光體含量的增加和組織細(xì)化更加顯著。珠光體的層片間距在控冷處理后顯著降低，如圖3所示。加熱時(shí)適當(dāng)?shù)靥岣呒訜釡囟群捅貢r(shí)間對(duì)控冷后組織的穩(wěn)定是有利的，但加熱溫度過高或保溫時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大，抵消控冷細(xì)化鐵素體和珠光體的有利作用。另外，在控冷Q275鋼組織中有二次魏氏組織鐵素體形成，這可能與鋼的含碳量和一定的冷卻速度有關(guān)，在Q235鋼的控冷處理試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)魏氏組織。文獻(xiàn)［3］中指出，魏氏組織的形成與加熱溫度關(guān)系不大，而取決于奧氏體化后的冷卻速度。本試驗(yàn)中，圖2a和2b的加熱條件不同，但隨后的冷卻速度基本相同，都形成魏氏組織，這表明在普通碳鋼控冷中魏氏組織的形成與冷卻速度有關(guān)系，而加熱溫度影響不大。從圖2中還可看出，魏氏組織不僅在基體組織粗大時(shí)形成，在正常組織中也可形成。Q235鋼中未發(fā)現(xiàn)魏氏組織，可能試驗(yàn)條件下的冷卻速度不適合該鋼中魏氏組織的形成。隨控冷速度進(jìn)一步提高，鋼中除鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變外，有部分貝氏體和馬氏體形成。在Q275鋼中形成貝氏體和馬氏體，鋼的強(qiáng)度顯著提高，韌性顯著下降，不能提高鋼的綜合性能。而在Q235鋼中，適量的貝氏體和馬氏體的形成，有利于鋼的強(qiáng)度的提高，其韌性仍可滿足使用要求，對(duì)鋼的綜合性能是有利的。

圖1　Q235鋼控冷后的顯微組織　×400
（a）　920℃×12min，p／v＝10?。╞）　920℃×12min，p／v＝12
（c）　880℃×12min，p／v＝12

圖2　Q275鋼控冷后的顯微組織
（a）　900℃×30min，p／v＝10
（b）　900℃×20min，p／v＝11　（c）　900℃×20min，p／v＝25

3.2　力學(xué)性能
　　控冷處理前后的Q275和Q235鋼的部分力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果列于表2和表3。為了便于比較，它們的調(diào)質(zhì)狀態(tài)的力學(xué)性能也列于表中。試驗(yàn)結(jié)果顯示，控冷處理后鋼的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度明顯增加而伸長率有所降低，其變化幅度受控于加熱后的冷卻速度即p／v值，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整p／v值，可得到不同的強(qiáng)度和塑韌性的配合。

表2　Q275鋼的室溫力學(xué)性能

表3　Q235鋼的室溫力學(xué)性能

圖3　普通碳鋼珠光體片間距的變化
　　（a）　原始組織珠光體?。╞）　控冷處理組織珠光體

　　由表2可見，試樣1和試樣2的硬度和強(qiáng)度幾乎相同，但前者的伸長率和沖擊韌度卻比后者低得多，而且兩者的斷口特征明顯不同。由圖4可見，具有4～5級(jí)晶粒度的粗大晶粒的試樣1的沖擊斷口幾乎全部為結(jié)晶狀斷口，其結(jié)晶區(qū)為典型的解理斷裂，解理小平面大，具有完整的河流花樣（見圖4a）；而晶粒度約為6級(jí)的細(xì)小晶粒的試樣2的沖擊斷口結(jié)晶區(qū)只占斷口表面的60％～70％，盡管其結(jié)晶區(qū)也屬解理斷裂，但其解理小平面小且其河流花樣不完整（見圖4b）。而相應(yīng)的試樣的拉伸斷口的形態(tài)卻基本相同，均為韌窩狀塑性斷口，如圖5所示。少許的差別是試樣1的斷口表面韌窩（圖5a）略小于試樣2（圖5b）的。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，在兩種工藝條件下獲得的組織中都含有魏氏組織鐵素體，不同的是兩種工藝中的加熱時(shí)間不同，導(dǎo)致其組織粗細(xì)不同。顯然，造成試樣1的塑性和韌性降低的因素是晶粒粗大而非魏氏組織。也可以理解為試樣2中的魏氏組織并沒有影響鋼的力學(xué)性能。因此可以說，鋼中魏氏組織鐵素體對(duì)鋼的性能的影響取決于鋼的晶粒大小。

圖4　沖擊試樣斷口電子顯微形貌
　?。╝）　試樣1?。╞）　試樣2

圖5　拉伸試樣斷口電子顯微形貌
（a）　試樣1　（b）　試樣2

3.4　鐵素體的含量和硬度對(duì)鋼的性能的影響
　　Q235鋼在控冷過程中形成的鐵素體的硬度隨著組織中鐵素體相對(duì)含量的降低而提高，這與位錯(cuò)強(qiáng)化有關(guān)^［7］。由于奧氏體化后鋼在控冷過程中的實(shí)際冷速較高，鐵素體中的位錯(cuò)密度增加，導(dǎo)致鐵素體硬化。另外，進(jìn)一步增加冷速可形成貝氏體或馬氏體，與這些組織轉(zhuǎn)變相鄰區(qū)域的鐵素體可產(chǎn)生塑變硬化^［8］。實(shí)測(cè)鐵素體硬度結(jié)果表明，在控冷處理過程中，鐵素體的硬度隨其含量的降低而增加，見圖6，鋼中鐵素體含量為35％時(shí)的硬度比含量為80％時(shí)的硬度增加了70HV0.1。在試驗(yàn)條件下，組織觀察顯示當(dāng)控冷速度達(dá)到一定值后，鋼中的珠光體量增加不再明顯，且當(dāng)珠光體量增加到一定程度后，其硬度值反而降低，此時(shí)，鐵素體的硬化就成為鋼控冷強(qiáng)化的主要因素；進(jìn)一步增加冷速，鋼中形成貝氏體和馬氏體，當(dāng)貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變量很小時(shí)，其主要強(qiáng)化因素依然為鐵素體硬化。在亞共析鋼中，鋼的硬度與鐵素體和珠光體的含量之間一般遵從混合律的關(guān)系。依據(jù)實(shí)測(cè)的鐵素體和珠光體的硬度及其相對(duì)含量，按照混合律計(jì)算的鋼的硬度值與實(shí)測(cè)的鋼的硬度值是非常一致的，見圖6，而用簡單的鐵素體和珠光體的硬度（不變的硬度值）按照混合律計(jì)算的鋼的硬度則與實(shí)測(cè)值明顯不符。由此亦可知鐵素體的相對(duì)含量及其硬度的變化在Q235鋼控冷強(qiáng)化處理中的作用。在Q275鋼中，為了保證鋼的足夠的韌塑性，鐵素體量的變化范圍較小，其硬化現(xiàn)象和作用表現(xiàn)的不明顯。

圖6　鐵素體的硬度與其相對(duì)含量的關(guān)系
1.珠光體的硬度HV　2.鐵素體的硬度HV
3.試樣的實(shí)測(cè)硬度HRC　4.按混合律計(jì)算的計(jì)算HV

3.5　普通碳鋼控冷強(qiáng)化機(jī)制
　　Q235和Q275鋼控冷后的強(qiáng)化主要源于控冷處理后鋼中的珠光體量增加、珠光體和鐵素體細(xì)化以及快冷導(dǎo)致的鐵素體位錯(cuò)增加強(qiáng)化。在一定的冷速范圍內(nèi)，隨著p／v值的提高，鋼中的珠光體量不斷增加而珠光體片間距不斷降低，因而鋼的強(qiáng)度隨之不斷提高；而當(dāng)冷速超過一定值后，鋼中珠光體量的增加不再明顯，此時(shí)鐵素體的硬化和組織細(xì)化成為普通碳鋼快冷強(qiáng)化的主要因素。與一般處理不同的是，控冷強(qiáng)化處理的同時(shí)，經(jīng)過調(diào)整控制冷卻速度可以得到鋼的強(qiáng)度和塑性的*佳配合即*佳的綜合力學(xué)性能，而不必再經(jīng)過其它的處理措施。

孫智：博士，35歲，副教授。主要從事金屬材料及熱處理和機(jī)械零件失效分析的科研與教學(xué)，已發(fā)表論文近30篇。本文為統(tǒng)配煤炭工業(yè)總公司重點(diǎn)課題并得到煤炭優(yōu)良青年教師基金資助，獲煤炭工業(yè)部科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。收稿日期：1998年6月7日

《參考文獻(xiàn)》

　[1]　江　利，孫　智.U型鋼熱處理工藝與性能研究.煤炭科學(xué)技術(shù)，1993（6）：35
　[2]　孫　智，張曉光，吳再生.小直徑錨桿的控冷熱處理工藝研究.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，23（2）：66
　[3]　劉繼恒，趙　明，吳秀貞等.ZG25鋼中魏氏組織對(duì)力學(xué)性能的影響.金屬熱處理學(xué)報(bào)，1985，6（1）：19
　[4]　江　利，孫　智.Q275鋼控冷工藝與性能研究.金屬熱處理，1993：（3）
　[5]　黃　正，姚　枚，范瑩龍等.F形態(tài)和分布對(duì)低碳鋼低溫?cái)嗔研袨榈挠绊?金屬學(xué)報(bào)，1987，23（3）：A223
　[6]　劉繼恒，趙　明，錢漢英等.魏氏組織F的亞結(jié)構(gòu)及其對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響.金屬學(xué)報(bào)，1986，22（5）：A448
　[7]　沈顯璞，雷廷權(quán)，李大軍等.組織分布及低溫回火對(duì)雙相20鋼拉伸性能的影響.金屬熱處理學(xué)報(bào)，1984，5（1）：30
　[8]　王傳雅，王敬中.亞溫淬火時(shí)α相形態(tài)和α相量對(duì)鋼的強(qiáng)韌性的影響.金屬熱處理學(xué)報(bào)，1985，5（1）：524　結(jié)論
　?。?）控冷處理可有效地提高普通碳鋼的強(qiáng)度，其沖擊韌度和伸長率可保持在較高范圍以滿足使用要求。普通碳鋼的控冷強(qiáng)化機(jī)制是鋼中珠光體量的增加、珠光體和鐵素體的細(xì)化以及鐵素體硬化。
　　（2）通過調(diào)整控冷噴水裝置的噴水壓力和型鋼的運(yùn)行速度，即p／v值，可以很方便地獲得型鋼所需的力學(xué)性能。
　?。?）在控制奧氏體晶粒的條件下，Q275鋼在控冷過程中形成的魏氏組織鐵素體并不降低鋼的沖擊韌度和拉伸塑性；在控冷過程下，魏氏組織的形成取決于控冷速度而與加熱條件無關(guān)。
　　（4）Q235鋼控冷過程中形成的鐵素體的硬度隨鋼中鐵素體量的降低和冷卻速度的增加而提高。鐵素體的硬化有助于鋼的控冷強(qiáng)化。
　?。?）適當(dāng)提高加熱溫度和保溫時(shí)間有利于Q235鋼組織的穩(wěn)定，增加珠光體的轉(zhuǎn)變量，而長時(shí)間保溫導(dǎo)致Q275鋼組織粗大，使鋼的塑韌性嚴(yán)重降低。