Effect of heating speed on SHCCT curve and microstructure of high strength steel
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摘要:目的
通过研究不同热循环下高强钢热影响区的微观组织与力学性能转变规律，为以后相同钢种的实际工程应用提供理论依据。
方法以30MnCrNiMo高强钢为研究对象，由于钢在连续加热和冷却过程中，会经历几个相变过程，在此过程中，钢的晶格结构发生改变，从而引起体积的变化，所以会在正常的膨胀曲线上出现转折点，基于此原理，利用Gleeble-3500热模拟试验机分别建立低加热速度为150 ℃/s和高加热速度为
1100 ℃/s的焊接热影响区连续冷却转变（Simulated heat affected zone continuous cooling transforming, SHCCT）曲线，对其微观组织转变规律进行了对比与分析。结果结果表明，在低加热速度和高加热速度下的SHCCT曲线图均包含M，M+B，B，B+P+F 4个区域，且4个区域对应的硬度值由500 HV1向200 HV1递减；低加热速度SHCCT曲线在3.0 ℃/s的冷却速度下就可以发生F和P转变，而高加热速度SHCCT曲线需要在冷却速度为0.5 ℃/s时才能产生F和P转变；与低加热速度下的SHCCT曲线相比，高加热速度下的SHCCT曲线具有更高的Ac1，Ac3和Ms点，且Ac1与Ac3的温度差增大，F和P转变需要更长的孕育期。
结论在相同钢种的实际工程应用中，为了得到板条状马氏体组织以达到良好的使用性能，可以在激光−熔化极活性气体保护（Metal active gas welding, MAG）复合焊接时，将冷却速度控制在7.5 ℃/s以上，在单MAG焊接时，将冷却速度控制在10.0 ℃/s以上。
Abstract:[Objective] The research aimed to study the transformation law of microstructure and properties of heat affected zone of high strength steel under different thermal cycles, so as to provide theoretical basis for the practical engineering application of the same steel grade in the future. [Methods] Taking 30MnCrNiMo high strength steel as the research object, because the steel will undergo several phase transformation processes during continuous heating and cooling, in this process, the lattice structure of the steel will change, resulting in volume change, so there will be a turning point on the normal expansion curve. Based on this principle, the SHCCT curves of low heating speed of 150 ℃/s and high heating speed of
1100 ℃/s were established by using Gleeble-3500 thermal simulation test machine, the law of microstructure transformation is compared and analyzed. [Results] The results show that the SHCCT curves at low heating speed and high heating speed contain four regions, that is M, M+B, B, B+P+F, and the hardness values corresponding to the four regions decrease from 500 HV1 to 200 HV1. The low heating speed SHCCT curve can produce F and P transitions at a cooling speed of 3.0 ℃/s, while the high heating speed SHCCT curve needs to produce F and P transitions at 0.5 ℃/s. Compared with the SHCCT curve at low heating speed, the SHCCT curve at high heating speed has higher Ac1、Ac3 and Ms points, and the temperature difference between Ac1 and Ac3 increases, and the F and P transitions require a longer incubation period. [Conclusion] In practical engineering applications of the same steel grades, in order to obtain lath martensite structure in the welding process of high strength steel to achieve good performance, the cooling speed should be controlled above 7.5 ℃/s in laser-MAG hybrid welding, and the cooling speed should be controlled above 10.0 ℃/s in single MAG welding.-
Keywords:
- heating speed /
- high strength steel /
- SHCCT curve /
- microstructure transformation
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0. 前言
30MnCrNiMo高强钢是一种抗冲击防护钢，同时具有很高的强度和硬度，主要应用于坦克等装甲车辆[1]。高强钢一般具有较高的碳当量，且其接头热影响区（Heat affected zone, HAZ）随着碳当量的增加容易形成局部脆化区[2]。冷却速度是影响HAZ微观组织与性能的重要参数，决定了钢在冷却时的微观组织变化规律，因此选择合适的焊接方法和焊接参数具有重要意义[3]。目前，30MnCrNiMo高强钢的焊接主要采用MAG，其具有焊缝美观、可达性强等优势，但同时也具有热输入大、焊接效率低等缺点。与传统MAG相比，激光−MAG复合焊工艺具有更多优势，如能量密度大、热输入小、焊缝熔深大、焊接速度快等，由于能量集中，热输入较小，HAZ更窄，故有利于解决高强钢HAZ脆化问题[4 − 6]。高强钢在焊接状态下，热影响区的峰值温度非常高，可以达到
1350 ℃左右，高温停留时间非常短，使得奥氏体均质化程度很低，这必将影响到最终冷却后产物的微观组织和性能，所以有必要绘制焊接热影响区的连续冷却转变曲线[7 − 9]。该文以30MnCrNiMo高强钢为研究对象，建立了低加热速度下的SHCCT曲线（适用于MAG）及高加热速度下的SHCCT曲线（适用于激光及激光−MAG复合焊），对其微观组织转变规律进行了对比与分析，以期为以后相同钢种的实际工程应用提供理论依据。
1. 试验方法
试验采用30MnCrNiMo高强钢，热处理状态为淬火+低温回火，微观组织为回火马氏体，其化学成分见表1。
表 1 30MnCrNiMo钢的化学成分（质量分数 %）Table 1. Chemical compositions of 30MnCrNiMo steel (wt. %)C Mn Cr Ni Mo Si S P Cu Fe 0.26～0.31 0.75～1.10 0.75～1.10 1.05～1.30 0.25～0.45 0.2～0.4 ≤0.01 ≤0.015 ≤0.25 余量 将8 mm厚30MnCrNiMo钢板加工成$\phi $6 mm×86 mm的圆棒，经过处理后安装在Gleeble 3500型热模拟试验机上。钢在连续加热和冷却过程中，会经历几个相变过程，在此过程中，钢的晶格结构会发生改变，从而引起体积的变化，所以会在正常的膨胀曲线上出现转折点，参照YB∕T 5127—2018《钢的临界点测定 膨胀法》标准通过切线法可确定相变点，依据单MAG及激光−MAG复合焊热循环曲线，将低加热速度SHCCT曲线试验加热速度设定为150 ℃/s，峰值温度设定为
1200 ℃，峰值温度停留时间设定为1 s；将高加热速度SHCCT曲线试验加热速度设定为1100 ℃/s，峰值温度设定为1200 ℃，峰值温度停留时间设定为0.5 s。高加热速度和低加热速度的冷却速度设定见表2。表 2 低加热速度与高加热速度的SHCCT试验参数Table 2. Experimental parameters of SHCCT at low heating speed and high heating speed试验
编号（低）冷却速度
v1/(℃·s−1)（高）冷却速度
v2/(℃·s−1)1 0.5 0.1 2 1.0 0.2 3 2.0 0.5 4 3.0 1.0 5 4.0 2.0 6 5.0 3.0 7 7.5 5.0 8 10.0 7.5 9 15.0 10.0 10 20.0 15.0 11 30.0 20.0 12 40.0 30.0 13 50.0 50.0 待试验完成后利用数控线切割机床切取金相试样，通过蔡司Axio Observer光学显微镜对试样进行微观组织观察，参照GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验第1部分：试验方法》对试件进行硬度性能测试，采用D-1000TM型维氏硬度仪，加载载荷为10 N，加载时间为15 s，试验点的位置处于试样中间横截面上，距边界1.5 mm处的圆上，平均分布选取4个点，然后取其平均值。依据YB∕T 5128—2018《钢的连续冷却转变曲线图的测定 膨胀法》标准，测定钢的连续冷却转变曲线图采用切线法、金相法和硬度法，其中温度为纵坐标，时间的对数为横坐标[10 − 11]。
2. 试验结果与分析
2.1 微观组织
低加热速度时不同冷却速度下的试样室温微观组织如图1所示。图1(a)是冷却速度为1.0 ℃/s的微观组织，在光学显微镜高倍放大后能够看到组织类型为先共析铁素体+珠光体+贝氏体（F+P+B）；图1(b)是冷却速度为4.0 ℃/s的微观组织，组织变化明显，F与P的转变被抑制，组织类型主要为B；当冷却速度为7.5 ℃/s时，微观组织为贝氏体和马氏体（B+M），如图1(c)所示；随着冷却速度的提高，发现当冷却速度为50.0 ℃/s时，微观组织几乎全部变为M，如图1(d)所示。可见，随着冷却速度的不断提高，原子来不及扩散，相变类型逐渐由扩散型相变向半扩散型相变转变，进而向无扩散型相变发生演变，即微观组织由F，P向B，M演变。
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图 1 低加热速度SHCCT试样微观组织Figure 1. Microstructure of SHCCT sample at low heating speed. (a) 1.0 ℃/s; (b) 4.0 ℃/s; (c) 7.5 ℃/s; (d) 50.0 ℃/s高加热速度时不同冷却速度下的试样室温微观组织如图2所示。从图中可以看出，在较低的冷却速度时B一直存在，当冷却速度为0.2 ℃/s时，微观组织中还包括F与P，如图2(a)所示；当冷却速度为1.0 ℃/s时，室温下的微观组织全部转为B；冷却速度为3.0 ℃/s时，B含量较少，同时含有M；继续提高冷却速度，当冷却速度为50.0 ℃/s时，微观组织全部转为M，如图2(d)所示。
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图 2 高加热速度SHCCT试样微观组织Figure 2. Microstructure of SHCCT sample at high heating speed. (a) 0.2 ℃/s; (b) 1.0 ℃/s; (c) 3.0 ℃/s; (d) 50.0 ℃/s2.2 维氏硬度
低加热速度下SHCCT试样维氏硬度随冷却速度的变化如图3所示，随着冷却速度的提高，试样硬度总体呈上升趋势。当冷却速度为0.5～3.0 ℃/s时，试样的硬度在215～293 HV1之间，此时的微观组织由F，P和B组成；当冷却速度为4 ℃/s时，试样的微观组织类型变为B，硬度提升到336 HV1；当冷却速度为5.0～7.5℃/s时，试样的微观组织为B和M，硬度在350～368 HV1之间。可以观察到，当冷却速度小于7.5 ℃/s时，随着冷却速度的提高，F和P的含量逐渐降低，B的比例增加，并且对试样硬度起核心作用；当冷却速度从10.0 ℃/s增加到50.0 ℃/s时，试样的硬度增加较缓慢，在410～500 HV1之间。这主要原因是随着冷却速度的增加，B的含量减少，而M的含量逐渐增加，使硬度逐渐增加。
高加热速度SHCCT试样的硬度随冷却速度的变化如图4所示，其与低加热速度下SHCCT试样硬度变化趋势大致相同。其区别在于当冷却速度小于10.0 ℃/s时，硬度大幅提高。冷却速度从10.0 ℃/s增加到50.0 ℃/s，硬度增加较缓慢，主要原因是当冷却速度大于7.5 ℃/s时，B几乎消失，M对维氏硬度起主要作用。当冷却速度在0.1～0.5 ℃/s范围内时，试样的微观组织类型主要有F，P和B，此时的硬度在207～220 HV1之间；当冷却速度在1.0～3.0 ℃/s时，试样的微观组织类型主要为B，此时的硬度增加到243～334 HV1；当冷却速度为5.0 ℃/s时，试样的微观组织是B与M的混合物，硬度为413 HV1，由于微观组织类型的变化较大，所以维氏硬度也有很大的变化，这表明M对硬度的贡献较大；当冷却速度在7.5～50.0 ℃/s范围内时，试样的组织类型为M，此时的硬度在453～504 HV1之间。
2.3 相变点测定
30MnCrNiMo高强钢在低加热速度下的SHCCT试样膨胀曲线随温度的变化如图5所示。对膨胀曲线进行求导，则可得到拐点处的温度值。图5(a)为切线法测定Ac1，Ac3示意图，Ac1为739 ℃，Ac3为852 ℃；用相同的方法测得冷却速度为1.0 ℃/s时的Ps（铁素体+珠光体起始转变点）和Pf（铁素体+珠光体终止转变点），如图5(b)所示，Ps为630 ℃，Pf为490 ℃；图5(c)是冷却速度为4.0 ℃/s时测定Bs（贝氏体起始转变点）和Bf（贝氏体终止转变点），Bs为599 ℃，Bf为384 ℃；图5(d)是冷却速度为50.0 ℃/s时测定Ms（马氏体起始转变点）和Mf（马氏体终止转变点），Ms为427℃，Mf为178 ℃。
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图 5 低加热速度SHCCT试样膨胀曲线Figure 5. Expansion curve of SHCCT sample at low heating speed. (a) Ac1 and Ac3; (b) Ps and Pf; (c) Bs and Bf; (d) Ms and Mf30MnCrNiMo高强钢在高加热速度下的SHCCT试样膨胀曲线如图6所示。利用切线法测定Ac1为757 ℃，Ac3为880 ℃；冷却速度为0.2 ℃/s时测定Ps为731 ℃，Pf为640 ℃；冷却速度为1.0 ℃/s时测定Bs为592 ℃，Bf为402 ℃；冷却速度为50.0 ℃/s时测定Ms为433 ℃，Mf为193 ℃。
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图 6 高加热速度SHCCT试样膨胀曲线Figure 6. Expansion curve of SHCCT sample at high heating speed. (a) Ac1 and Ac3; (b) Ps and Pf; (c) Bs and Bf; (d) Ms and Mf2.4 低加热速度SHCCT曲线
30MnCrNiMo高强钢低加热速度SHCCT曲线如图7所示，适用于MAG。在冷却阶段，冷却速度在0.5～3.0 ℃/s的范围内，首先形成共析F和P，随着温度的进一步降低，铁原子的扩散变得困难，但碳原子仍然可以发生扩散，便产生具有明显过渡性的贝氏体组织，在这个阶段的材料硬度偏低，维氏硬度通常在216～293 HV1之间；当冷却速度为4.0 ℃/s时，铁原子扩散困难，已无法发生P转变，随着温度的降低，只产生了B组织，试样硬度有所提高，为336 HV1；当冷却速度为5.0～7.5 ℃/s时，过冷奥氏体组织（A）首先发生B转变，随着温度进一步降低，铁原子与碳原子均已无法进行扩散，导致剩余的过冷A组织无法继续发生B转变，反而转变为M组织，其硬度为350～368 HV1；当冷却速度为10.0～50.0 ℃/s时，已无法满足P及B转变所需的孕育期，不再发生P及B转变，当温度降低至Ms以下时，过冷奥氏体组织发生无需扩散的、原子集体协同位移的马氏体相变，产生M，硬度为413～497 HV1。
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图 7 30MnCrNiMo高强钢低加热速度SHCCT曲线Figure 7. SHCCT curve of 30MnCrNiMo high strength steel at low heating speed2.5 高加热速度SHCCT曲线
30MnCrNiMo高强钢高加热速度SHCCT曲线如图8所示，适用于激光焊及激光−MAG复合焊。在冷却阶段，冷却速度在0.1～0.5℃/s之间时，首先产生先共析F，P，随着温度的继续降低，在中温阶段，碳原子已无法扩散，产生贝氏体组织，硬度为207～20 HV1；当冷却速度为1.0～3.0 ℃/s时，随着温度的降低，无法满足珠光体转变所需的孕育期，只产生了B组织，硬度为243～334 HV1；当冷却速度为5.0 ℃/s时，在低温阶段，过冷A组织开始发生M相变，此时微观组织由B和M组成，硬度为413 HV1；当冷却速度为7.5～50.0 ℃/s时，铁原子、碳原子均难以扩散，只产生了M组织，硬度为453～504 HV1。
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图 8 30MnCrNiMo高强钢高加热速度SHCCT曲线Figure 8. SHCCT curve of 30MnCrNiMo high strength steel at high heating speed2.6 不同加热速度SHCCT曲线的对比
低加热速度SHCCT曲线与高加热速度SHCCT曲线试验参数上的主要差别是加热速度和峰值温度停留时间不同，加热速度分别为150 ℃/s，
1100 ℃/s，峰值温度停留时间分别为1 s和0.5 s。低加热速度SHCCT曲线的Ac1，Ac3分别为739 ℃，852 ℃，高加热速度SHCCT曲线的Ac1，Ac3分别为757 ℃，880 ℃，显然高加热速度下Ac1与Ac3的温度都被提高。这是因为加热时的奥氏体化过程是一个内部金属原子重新排列的过程，需要一定的孕育期，当加热温度不变时，加热速度越快，相应的过热度就越大，导致A的实际形成温度随之提高，在激光焊及激光−MAG复合焊中，由于加热速度较快，扩散过程所需要的孕育期无法在必要的时间内完成，因此会导致相变温度的提高。此外，低加热速度下Ac1与Ac3的温度差为113 ℃，而高加热速度下Ac1与Ac3的温度差为123 ℃。随着加热速度的提高，Ac1与Ac3的温度差也增大。这是因为在P向A转变时，形核发生在F和Fe3C的交界处，而该交界处的面积较大，碳原子的扩散路径较短。因此，形核的孕育期较短，导致Ac1的提高较小。而铁素体向奥氏体的转变需要碳原子与铁原子做长距离的扩散，所以需要较长的孕育时间，则Ac3的温度被推向更高，故Ac1与Ac3的温度差加大[12]。
低加热速度SHCCT曲线在3 ℃/s的冷却速度下就可以发生F和P转变，而高加热速度SHCCT曲线需要在0.5 ℃/s时才能产生F和P转变，即高加热速度SHCCT曲线F和P转变需要的孕育期较长。主要原因分析为A的均质化过程本质上属于扩散过程，且受加热速度的影响较大，在相变温度以上停留时间短及具有高加热速度都会对扩散过程产生消极影响。在激光焊及激光−MAG复合焊在快速加热条件下，奥氏体刚刚形成后，碳和合金元素在奥氏体中的分布是不均匀的，当开始冷却后，碳和合金元素更容易在奥氏体相内扩散，而难以在相间扩散，所以造成高加热速度SHCCT曲线F和P转变孕育期比较长[6]。
高加热速度SHCCT曲线相比于低加热速度SHCCT曲线减小了F与P转变区域，但扩大了B转变区域，这也是因为在激光焊及激光−MAG复合焊在快速加热条件下奥氏体均质化程度较低造成的，奥氏体内具有比较大的浓度起伏，容易形成富碳区和贫碳区。又由于贝氏体属于半扩散型相变，有区别于F和P转变中的扩散机制，所以在高温区抑制了F和P转变，为B中温转变提供了有利条件[12]。
高加热速度SHCCT曲线相比低加热速度SHCCT曲线Ms点有所升高，因为在激光焊及激光−MAG复合焊接快速加热条件下，固溶温度提高，碳化物和合金元素的熔解更不充分，使得奥氏体向马氏体转变时阻力降低，即需要较低的过冷度来提供驱动力，所以高加热速度SHCCT曲线具有较高的Ms点[6]。
3. 结论
（1）测定出30MnCrNiMo钢的低加热速度SHCCT曲线与高加热速度SHCCT曲线，结果发现，两者均包含M区域、M+B区域、B区域、B+P+F区域，且硬度范围为200～500 HV1。
（2）低加热速度SHCCT曲线在3.0 ℃/s的冷却速度下就可以发生F和P转变，而高加热速度SHCCT曲线需要在0.5 ℃/s时才能产生F和P转变，且高加热速度SHCCT曲线具有更高的Ac1，Ac3和Ms点，缩小了P和F区域，扩大了B区域。
（3）在MAG焊接时，将冷却速度控制在10.0 ℃/s以上；在激光焊及激光−MAG复合焊时，将冷却速度控制在7.5 ℃/s以上，以便得到强韧性均衡的板条马氏体组织。
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图 1 低加热速度SHCCT试样微观组织
Figure 1. Microstructure of SHCCT sample at low heating speed. (a) 1.0 ℃/s; (b) 4.0 ℃/s; (c) 7.5 ℃/s; (d) 50.0 ℃/s
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图 2 高加热速度SHCCT试样微观组织
Figure 2. Microstructure of SHCCT sample at high heating speed. (a) 0.2 ℃/s; (b) 1.0 ℃/s; (c) 3.0 ℃/s; (d) 50.0 ℃/s
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图 5 低加热速度SHCCT试样膨胀曲线
Figure 5. Expansion curve of SHCCT sample at low heating speed. (a) Ac1 and Ac3; (b) Ps and Pf; (c) Bs and Bf; (d) Ms and Mf
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图 6 高加热速度SHCCT试样膨胀曲线
Figure 6. Expansion curve of SHCCT sample at high heating speed. (a) Ac1 and Ac3; (b) Ps and Pf; (c) Bs and Bf; (d) Ms and Mf
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图 7 30MnCrNiMo高强钢低加热速度SHCCT曲线
Figure 7. SHCCT curve of 30MnCrNiMo high strength steel at low heating speed
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图 8 30MnCrNiMo高强钢高加热速度SHCCT曲线
Figure 8. SHCCT curve of 30MnCrNiMo high strength steel at high heating speed
表 1 30MnCrNiMo钢的化学成分（质量分数 %）
Table 1 Chemical compositions of 30MnCrNiMo steel (wt. %)
C Mn Cr Ni Mo Si S P Cu Fe 0.26～0.31 0.75～1.10 0.75～1.10 1.05～1.30 0.25～0.45 0.2～0.4 ≤0.01 ≤0.015 ≤0.25 余量 
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表 2 低加热速度与高加热速度的SHCCT试验参数
Table 2 Experimental parameters of SHCCT at low heating speed and high heating speed
试验
编号（低）冷却速度
v1/(℃·s−1)（高）冷却速度
v2/(℃·s−1)1 0.5 0.1 2 1.0 0.2 3 2.0 0.5 4 3.0 1.0 5 4.0 2.0 6 5.0 3.0 7 7.5 5.0 8 10.0 7.5 9 15.0 10.0 10 20.0 15.0 11 30.0 20.0 12 40.0 30.0 13 50.0 50.0
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