Al對(duì)高碳鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為的影響

辛 蕊，張國(guó)宏，吳開明，馬國(guó)勇，嚴(yán) 睿，喬文瑋

(1. 武漢科技大學(xué)國(guó)際鋼鐵研究院，湖北 武漢，430081；2. 武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北 武漢，430060；3. 江蘇華能電纜股份有限公司，江蘇 高郵，225613)

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Al對(duì)高碳鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為的影響

辛 蕊1，張國(guó)宏1，吳開明1，馬國(guó)勇2，嚴(yán) 睿2，喬文瑋3

(1. 武漢科技大學(xué)國(guó)際鋼鐵研究院，湖北 武漢，430081；2. 武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北 武漢，430060；3. 江蘇華能電纜股份有限公司，江蘇 高郵，225613)

通過熱處理試驗(yàn)結(jié)合熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算，研究連續(xù)緩慢冷卻過程中Al元素對(duì)高碳鋼組織轉(zhuǎn)變的影響。結(jié)果表明，未添加Al的高碳鋼中，顯微組織由馬氏體及殘余奧氏體組成，含1.37%Al的高碳鋼中出現(xiàn)了體積分?jǐn)?shù)為5.1%的珠光體組織，且宏觀硬度降低了約0.8 HRC，這是由于Al的加入能使高碳鋼的共析點(diǎn)向高溫高碳方向移動(dòng)，提高了珠光體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度及相變開始溫度，加速了珠光體組織的形成。

高碳鋼；Al；珠光體；連續(xù)冷卻；相變；顯微組織；宏觀硬度

Al作為鐵素體穩(wěn)定元素之一，在反應(yīng)中能促進(jìn)奧氏體轉(zhuǎn)變，縮小奧氏體相區(qū)，并使鐵素體穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大[1]，因而能起到細(xì)化晶粒、提高鋼抗氧化性和耐蝕性以及改善鋼的電磁性能等作用。盛振棟等[2]研究了Al對(duì)熱擠壓模具鋼SDAH13連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的影響，結(jié)果表明，Al元素顯著提高了SDAH13鋼的Ac1、Ac3和Ms點(diǎn)，擴(kuò)大了α+γ兩相區(qū)，且加入0.77%和0.43%Al的SDAH13鋼的珠光體臨界冷速高于無Al鋼。Houtin等[3]研究表明，奧氏體化溫度為900 ℃的合金鋼Fe-0.4C-0.62Mn-0.30Si-0.024Al冷卻至670～560 ℃范圍時(shí)，必須使用70～140 ℃/s的超快冷卻速度才能得到全珠光體組織。然而在實(shí)際熱處理大尺寸鋼件時(shí)，很難達(dá)到如此高的冷速。Yi等[4]由此設(shè)計(jì)了Al含量分別為2.1%、2.5%的兩組中碳高鋁鋼，從鑄造態(tài)緩慢冷卻時(shí)得到幾乎是全珠光體組織。Wu等[5]設(shè)計(jì)了兩組高碳鋼(0.78%C)，經(jīng)奧氏體化后以不同速度冷卻，發(fā)現(xiàn)含Co、Al鋼中，冷速小于0.1 ℃/s下即可得到全珠光體組織，而不含Co、Al鋼中，小于0.05 ℃/s的冷速才能得到全珠光體組織，這表明Co、Al元素能擴(kuò)展珠光體冷卻轉(zhuǎn)變區(qū)間。基于此，本文在前述研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究Al元素的加入對(duì)高碳鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

本文設(shè)計(jì)了兩組高碳鋼，其化學(xué)成分如表1所示。由表1可知，除是否添加Al元素外，兩組高碳鋼的化學(xué)成分基本相同，分別記作Free-Al、1.37Al。

表1 高碳鋼的化學(xué)成分(wB/%)

首先，將試驗(yàn)鋼在真空退火爐中于1200 ℃下等溫處理2天，待成分組織均勻化后，爐冷至室溫，采用線切割方式從鋼坯上截取尺寸為7 mm×7 mm×20 mm的試樣。熱處理試驗(yàn)在箱式爐中進(jìn)行，以5 ℃/min的升溫速度將樣品加熱至940 ℃，等溫10 min，待其完全奧氏體化后關(guān)閉設(shè)備，試樣隨爐冷卻至室溫。在冷卻過程中，多次監(jiān)測(cè)并記錄試樣的溫度變化，計(jì)算得不同溫度區(qū)間的冷卻速度如表2所示。

利用光學(xué)顯微鏡(OM，Olympus BM51)、掃描電鏡(SEM，Sirion 200)和透射電鏡(TEM，JEM-2010HT)觀察分析熱處理后試樣的組織形貌；使用HR-150A型洛氏硬度計(jì)測(cè)量樣品表面的宏觀硬度，載荷為150 kg，每個(gè)樣品測(cè)定5個(gè)值，平均值即為試樣的宏觀硬度；珠光體體積分?jǐn)?shù)測(cè)定參照ISO 9042—1988《鋼格點(diǎn)統(tǒng)計(jì)組分體積系數(shù)的人工點(diǎn)計(jì)數(shù)法》。

表2 隨爐冷卻速度的計(jì)算值

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

經(jīng)熱處理后鋼樣的OM、SEM、TEM照片分別如圖1～圖3所示。由圖1可見，F(xiàn)ree-Al鋼的室溫組織主要由馬氏體與殘留奧氏體構(gòu)成，圖1(a)中灰色為塊狀馬氏體，黑色片狀為板條馬氏體，白色部分為殘留奧氏體；1.37Al鋼隨爐冷卻后得到的組織也主要由馬氏體與殘留奧氏體構(gòu)成，此外還出現(xiàn)了少量的珠光體團(tuán)，即圖1(b)中黑色團(tuán)狀物，測(cè)得其體積分?jǐn)?shù)為5.1%左右。結(jié)合圖2和圖3進(jìn)一步看出，1.37Al鋼中出現(xiàn)少量白色片層狀或團(tuán)狀珠光體組織，在TEM下甚至觀察到鐵素體和滲碳體片層，此襯度下鐵素體片層呈黑色，滲碳體片層呈白色。

(a) Free-Al (b)1.37Al

圖1 鋼樣的OM照片

Fig.1 OM images of steel samples

(a) Free-Al (b)1.37Al

圖2 鋼樣的SEM照片

Fig.2 SEM images of steel samples

(a) Free-Al (b)1.37Al

圖3 鋼樣的TEM照片

Fig.3 TEM images of steel samples

2.2 宏觀硬度

所測(cè)Free-Al和1.37Al鋼樣的宏觀硬度平均值分別為51.2 HRC和50.4 HRC，與顯微組織的結(jié)果相符，這是因?yàn)?.37Al鋼樣在隨爐冷卻過程中，產(chǎn)生了珠光體組織，而珠光體的硬度遠(yuǎn)小于馬氏體，但因生成珠光體量較少，因此宏觀硬度的下降幅度不大，僅降低了0.8 HRC。

3 討論

3.1 Fe-C平衡相圖的計(jì)算

用ThermoCalc軟件和ThermoTech數(shù)據(jù)庫計(jì)算試驗(yàn)鋼的Fe-C相圖垂直截面，結(jié)果見圖4。由圖4可以看出，加入1.37%Al后，相圖中Ae1線、GP線、Ae3線均向高溫方向移動(dòng)，Acm基本不變，且α單相區(qū)及α+γ兩相區(qū)面積增大，γ+Fe3C兩相區(qū)面積減?。淮送?，鋼的共析點(diǎn)也向高溫高碳方向移動(dòng)，即未添加Al元素時(shí)，鋼共析點(diǎn)的碳含量為0.519 %，共析溫度為757.75 °C，加入1.37%Al后，共析點(diǎn)碳含量升至0.753%，共析溫度則升為789.55 ℃。這是由于珠光體轉(zhuǎn)變屬于擴(kuò)散型相變，新相形核和長(zhǎng)大均依靠原子的長(zhǎng)距離擴(kuò)散及相界面的移動(dòng)，而共析轉(zhuǎn)變溫度的提高增加了珠光體相變驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)了珠光體轉(zhuǎn)變，因此鋼的顯微組織由只有馬氏體和殘留奧氏體到開始出現(xiàn)少量珠光體。

(a) Free-Al

(b)1.37Al

3.2 等溫轉(zhuǎn)變曲線和自由能變化

利用MUCG83軟件計(jì)算試驗(yàn)鋼的等溫轉(zhuǎn)變(TTT)曲線及自由能變化，結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)的TTT曲線看出，Al元素的加入可提高珠光體轉(zhuǎn)變溫度，使C曲線上移，同時(shí)能縮短珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)間，使C曲線左移。而珠光體轉(zhuǎn)變溫度的升高，可提高碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變具有加速效果，同時(shí)還能提高共析轉(zhuǎn)變溫度和加大過冷度。

(a) TTT曲線

(b) 自由能變化

從圖5(b)可以看出，Al元素可增加奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的自由能。珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榫植科胶庀嘧冞^程，轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力則歸因于在系統(tǒng)狀態(tài)內(nèi)準(zhǔn)平衡態(tài)到正平衡態(tài)的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)，在這兩種平衡態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中，可能為鐵素體析出提供驅(qū)動(dòng)力[4]。完全珠光體的獲得在傳統(tǒng)意義上需要共析成分鋼[6]，然而理論與實(shí)驗(yàn)證明，即使在低碳或過共析鋼中，低于共析溫度下的奧氏體也有可能轉(zhuǎn)變?yōu)槿楣怏w。Hultgren[7]利用外推法研究表明，在轉(zhuǎn)變溫度低于平衡共析溫度條件下，通過延伸γ+θ/γ相或α+γ/γ相的局部區(qū)域，奧氏體也有轉(zhuǎn)變?yōu)槿楣怏w的可能性[6, 8]。從圖4所示的平衡相圖可知，未添加Al元素的鋼實(shí)際為過共析鋼，而Al元素的加入增加了熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，擴(kuò)大了γ+θ/γ相區(qū)，導(dǎo)致新相的形核速率極高，在準(zhǔn)平衡態(tài)到正平衡態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中，能顯著抑制過共析滲碳體形成，在相對(duì)較快的冷卻速度下，即可形成鐵素體片層，從而促進(jìn)了珠光體的形成。

3.3 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

利用J-MatPro軟件計(jì)算得試驗(yàn)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線如圖6所示，圖中可以看出連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變后所得不同組織的冷卻速度范圍。由圖6可知，加入1.37%Al后，珠光體轉(zhuǎn)變的連續(xù)冷卻速度范圍擴(kuò)大，且珠光體轉(zhuǎn)變臨界冷速增加，這與圖1～圖3所示的顯微組織分析結(jié)果一致。此外，本試驗(yàn)用鋼均為高碳過共析鋼，也即是說，獲得珠光體組織需要較慢的冷卻速度。加入Al元素后，雖然1.37Al鋼中的碳含量(0.81%)仍高于共析點(diǎn)(0.753%)，但與Free-Al鋼相比更接近共析點(diǎn)，即能在相對(duì)較快的冷卻速度下獲得珠光體。另一方面，Al元素使共析點(diǎn)溫度和珠光體轉(zhuǎn)變溫度升高，碳在奧氏體中的活度增加，有利于過冷奧氏體中合金碳化物的形成，兩者共同作用促進(jìn)了珠光體的形核及長(zhǎng)大。由此可見，Al元素的加入提高了珠光體轉(zhuǎn)變的臨界冷速及相同冷卻速度下的轉(zhuǎn)變開始溫度及最終轉(zhuǎn)變量。

圖6 高碳鋼的CCT曲線

4 結(jié)論

(1)在高碳合金鋼中加入1.37%的Al元素后，可使共析點(diǎn)向高溫高碳方向移動(dòng)，共析點(diǎn)碳含量升高至0.753%，共析溫度升高至789.55 ℃。

(2)在連續(xù)緩慢冷卻條件下，Al元素的加入提高了珠光體轉(zhuǎn)變的臨界冷速。未加Al元素高碳鋼的顯微組織由馬氏體和殘留奧氏體組成，添加1.37%Al后，鋼中還出現(xiàn)了體積分?jǐn)?shù)為5.1%的珠光體組織，宏觀硬度降低了0.8 HRC。

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[責(zé)任編輯 董 貞]

Effects of Al on the transformation behavior of high carbon steel during continuous cooling

XinRui1,ZhangGuohong1,WuKaiming1,MaGuoyong2,YanRui2,QiaoWenwei3

(1. International Research Institute for Steel Technology, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2. Wuchang Ship Building Industry Group Co., Ltd.,Wuhan 430060, China; 3. Jiangsu Huaneng Cable Co., Ltd., Gaoyou 225613, China)

Through heat treatment tests combined with thermodynamic and kinetic calculations, the influence of Al on the phase transformation of high carbon steels during continuous slow-cooling process were investigated. The results show that the microstructure of Al-free sample consists of martensite and retained austentie, while pearlite with volumn fraction of 5.1% appears in steel with 1.37%Al addition, and the macro-hardness is reduced by about 0.8 HRC. According to the analysis, the addition of Al enables the shift of eutectoid point toward high carbon content and high temperature direction, which improves the critical cooling rate and the initial temperature of pearlite transformation, and the formation of pearlite is therefore accelerated.

high carbon steel; Al; pearlite; continuous cooling; phase transformation; microstructure; macro-hardness

2017-04-25

湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃創(chuàng)新群體項(xiàng)目(2016CFA004).

辛 蕊(1991-)，女，武漢科技大學(xué)碩士生. E-mail: 529057243@qq.com

吳開明(1966-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師. E-mail: wukaiming@wust.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.04.001

TG142

A

1674-3644(2017)04-0241-04