0 前言

近年来，中国不断向海洋领域进军，加强了对海上资源的开发利用，以提高我国的综合实力。同时，国内钢铁总产量严重过剩，钢铁生产暂时进入休息期，但是对海洋用钢的需求仍得不到满足，国内只有少数钢厂能生产高级别的海洋用钢，而且产品质量不稳定，国内对海洋用钢仍主要依赖进口，因此当下对海洋用钢的研究重要性不言而喻。其中，国内学者对海洋用钢热处理方面的研究集中在板条贝氏体和粒状贝氏体钢^[1-5]，或者马氏体与残余奥氏体钢^[6]，同时已有研究学者^[7-8]提出马氏体/贝氏体复相组织能进一步细化晶粒，提高强韧性，但几乎没有文献对其展开深入研究。

本文将设计高强度贝氏体/马氏体复相海洋用钢，并探寻其回火后的优异的综合力学性能。以低碳低合金钢为基础，通过添加微合金元素，采用控轧控冷+回火的工艺来获得高强韧性的海洋用钢，并进一步研究不同回火温度下，马氏体/贝氏体复相组织的变化情况与其力学性能的关系。

1 实验材料及方法 1.1 材料

试验钢由真空感应炉冶炼，实测主要化学成分见表1。试验钢经锻造后，在二辊实验轧机上进行轧制实验。根据其化学成分特点，将加热温度确定为1 200 ℃，保温2 h，粗轧温度为1 050 ℃，目的是通过轧制过程中的多次再结晶充分细化奥氏体组织，精轧温度为890 ℃，目的是通过未再结晶区内的变形，使相变时的形核位置增加，达到细化晶粒的目的。随后采用层流冷却的方式，冷却速度控制在10~20 ℃ /s，以便获得贝氏体/马氏体复相组织。轧制后的试样进行直接回火处理，将试样分别加热至要求的温度(400，500，550，600和650 ℃)，保温30 min，空冷至室温。

拉伸试验在CMT-4105型万能试验机上进行，冲击试验在JB-30B型冲击试验机上进行，采用夏比V型缺口试样，规格为10 mm×10 mm×55 mm，试验温度为-40 ℃。使用QUANTAFEG450环境扫描电子显微镜和FEIF20场发射枪分析透射电镜进行组织观察，DMAX-RB型X射线衍射仪进行物相分析，并使用Origin，Photoshop，Image-proplus和Digital Micrograph等软件进行分析处理。

2 实验结果及分析 2.1 力学性能

力学性能测试结果见表2，力学性能随不同回火温度的变化情况见图1(a)，(b)。

从图1中可以看出，不同回火温度对试验钢力学性能的影响显著。轧后未回火时，试验钢的抗拉强度和屈服强度分别为1 139 MPa和810 MPa，延伸率和断面收缩率分别为15.8%和64.8%，冲击功为38. 9J，维氏硬度为361.85 HV; 回火温度为400 ℃时，保温30 min，屈服强度提高到947 MPa，其余力学性能均有所降低，并出现低温回火脆性; 当回火温度为500 ℃第时，屈服强度继续升高，冲击韧性也有所提高，但抗拉强度、硬度值和断面收缩率突然降低; 当回火温度为550 ℃时，抗拉强度保持不变为1 050 MPa，屈服强度升高趋势减缓，延伸率和硬度开始升高，冲击功和断面收缩率继续降低; 回火温度为600 ℃时，抗拉强度又开始下降，屈服强度达到最大值为983 MPa，延伸率、硬度和断面收缩率同样达到最高值，出现高温回火脆性; 回火温度为650 ℃时，冲击功再次升高，其余力学性能都开始降低。

2.2 显微组织

试验钢经控轧控冷后，其显微组织见图2(a)和(b)，试验钢由板条贝氏体(LB)和板条马氏体(LM)复相组织构成，由于两种组织受硝酸酒精侵蚀程度不同，在扫描照中明显低于界面的板条状组织为贝氏体，其余则为马氏体^[4]。进一步用透射电镜观察，发现了典型贝氏体组织，其板条具有相对低的位错密度，板条宽度约为1.5 μm，上面分布针状碳化物^[9]，基体经衍射斑标定后为铁素体，晶带轴指数为[-1,-1,1]，见图2(c)和(d)。组织中并未发现明显残余奥氏体，由XRD结果表明:试验钢的残余奥氏体的体积分数小于1%，见图2(e)。用image-pro plus和photoshop软件进行相比例分析，结果发现，贝氏体体积分数约占30%。在高温奥氏体冷却过程中，先析出的贝氏体会分割过冷奥氏体晶粒，进而细化之后形成马氏体板条，同时马氏体转变时的体积效应会造成贝氏体区域的变形^[9]。由Hall-Petch关系，试验钢的强韧性能得到很好的提升，这也是轧后试验钢具有不错的综合力学性能的主要原因。

不同温度回火后的组织变化情况见图3 (a)，(b)，(c)，(d)。将热轧试样分别在400，500，550，600和650 ℃回火30 min，马氏体和贝氏体组织变化明显。400~500 ℃回火后，马氏体明显发生粗化，并且马氏体板条断裂，贝氏体/马氏体间的界面差也开始降低，贝氏体板条粗化，析出逐渐减少，同时贝氏体体积明显增多，碳化物在晶界上的析出，使得原始奥氏体晶界清晰; 550 ℃回火后，马氏体与贝氏体板条无法明显区分，而且位于贝氏体板条上的析出物也基本消失; 600 ℃回火后，马氏体消失，大量球形碳化物沿着原奥氏体晶界和贝氏体板条间晶界析出，部分贝氏体板条合并形成准多边形铁素体; 650 ℃时，贝氏体板条消失，形成铁素体基体，部分铁素体基体上形成M /A岛，构成新的粒状贝氏体组织。由于回火状态下组织演变由不稳定组织转向平衡态组织，因此可以得出在本试验钢中，铁素体组织最稳定，其次为粒状贝氏体，之后依次为准多边形铁素体、贝氏体和马氏体; 同时试验钢中的析出物也由不规则形状转为均匀弥散细小析出。

3 讨论

在室温至500 ℃，贝氏体基体的碳化物重新溶解，同时随温度的升高碳原子偏聚加剧，钉扎效果增强，屈服强度线性升高; 在500~600 ℃，碳化物重新在晶界和板条界面上固溶析出，并且析出的碳化物又会随温度的升高而聚集长大，逐渐不再钉扎位错，导致屈服强度不再升高，在600 ℃时达到最高峰为983 MPa; 当回火温度超过600 ℃时，铁素体基体软化，屈服强度降低。

根据聚合型两相合金塑性变形理论，近似认为复相组织的抗拉强度取决于马氏体和贝氏体各自的抗拉强度及体积分数σ = f₁ σ₁ + f₂ σ₂^[10-11]，其中σ为试验钢抗拉强度，σ₁为马氏体抗拉强度，f₁为马氏体体积分数，σ₂为贝氏体抗拉强度，f₂为贝氏体体积分数。在常温至400 ℃，马氏体抗回火性能较低，其强度明显下降，即f₁ σ₁快速减小，但是贝氏体具有较高的回火抗力，f₂ σ₂缓慢下降，因此在此温度区间，总的抗拉强度缓慢下降; 但当回火温度高于400 ℃时，马氏体强度继续降低的同时体积分数也在减少，f₁ σ₁快速降低，贝氏体在高温下也开始软化，f₂σ₂也快速降低，因此总体抗拉强度突然下降; 在500~550 ℃，抗拉强度不变的原因是钢中析出碳化物所带来的弥散强化效应抵消了回火软化效应。综合比较之后，回火温度为550 ℃时，试验钢具有最佳的力学性能。

4 结论

1) 通过控轧控冷获得了由贝氏体和马氏体两相构成的试验钢，其中贝氏体体积分数约占30%，试验钢的抗拉强度和屈服强度分别为1 139 MPa和810 MPa，延伸率为15.8%，冲击功为38.9 J。

2) 低温向高温回火过程中，马氏体板条断裂消失，贝氏体相互合并形成准多边形铁素体，析出物逐渐回溶并有均匀弥散碳化物沿晶界析出。

3) 试验钢在550 ℃回火温度下获得最佳的力学性能，抗拉强度和屈服强度分别为1 050 MPa和981 MPa，延伸率为16.6%，冲击功为19.9 J。