低合金高強(qiáng)鋼連續(xù)冷卻微觀組織轉(zhuǎn)變研究

梁國(guó)俐，苑少?gòu)?qiáng)，郝 斌

（唐山學(xué)院a.機(jī)電工程系；b.環(huán)境與化學(xué)工程系，河北唐山063000）

低合金高強(qiáng)鋼連續(xù)冷卻微觀組織轉(zhuǎn)變研究

梁國(guó)俐a，苑少?gòu)?qiáng)a，郝 斌b

（唐山學(xué)院a.機(jī)電工程系；b.環(huán)境與化學(xué)工程系，河北唐山063000）

通過(guò)熱膨脹法測(cè)定了低合金高強(qiáng)鋼CCT曲線并分析了其微觀組織的變化，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)鋼在3～50℃/s冷卻范圍內(nèi)，均可得到貝氏體組織，當(dāng)冷卻速度為30℃/s以上時(shí)還會(huì)出現(xiàn)部分馬氏體組織。隨著冷卻速度的提高，貝氏體開始相變溫度和轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度相應(yīng)降低，顯微組織逐漸由粒狀貝氏體向板條貝氏體轉(zhuǎn)變，且相變組織越加細(xì)小。

低合金高強(qiáng)鋼；熱膨脹法；相變組織

0 引言

過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）能系統(tǒng)地表示熱變形工藝參數(shù)、軋后冷卻速度對(duì)相變開始溫度、相變進(jìn)行速度和相變產(chǎn)物組織的影響，它是衡量熱軋變形工藝是否恰當(dāng)?shù)闹匾罁?jù)，因此在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，CCT曲線可以指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化TMCP工藝，有重要的參考作用［1－2］。

通過(guò)熱膨脹法測(cè)定CCT曲線，其原理是根據(jù)鋼的各相有不同的熱膨脹系數(shù)與比容。比容按由大到小的順序排列為馬氏體＞貝氏體＞珠光體＞鐵素體＞奧氏體，所以在鋼的組織中，凡發(fā)生奧氏體分解、鐵素體析出的過(guò)程都將伴隨著體積膨脹［3－4］。

從圖1低合金高強(qiáng)鋼加熱和冷卻時(shí)膨脹曲線中可看出：加熱過(guò)程中，當(dāng)發(fā)生鐵素體和珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，由于奧氏體的比容比鐵素體和珠光體都小，所以開始時(shí)膨脹的曲線在長(zhǎng)度上發(fā)生收縮，待全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，膨脹曲線將繼續(xù)膨脹。這樣在膨脹曲線上就出現(xiàn)了兩個(gè)拐點(diǎn)，從這兩個(gè)拐點(diǎn)可以確定出Ac1和Ac3。冷卻過(guò)程中，當(dāng)從奧氏體中析出鐵素體和奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w時(shí)，開始時(shí)收縮的曲線會(huì)發(fā)生膨脹，當(dāng)奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體后，膨脹曲線又繼續(xù)收縮，從而也出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)，并可根據(jù)拐點(diǎn)確定Ar3和Ar1。同理，當(dāng)冷卻速度足夠大，發(fā)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，同樣會(huì)引起膨脹曲線的變化而出現(xiàn)拐點(diǎn)，由此確定Ms和Mf。

圖1 低合金高強(qiáng)鋼的膨脹曲線

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)鋼CCT曲線和相變臨界溫度的測(cè)定在BHR DIL805A型熱膨脹儀上進(jìn)行，試樣從鋼坯上取樣，尺寸為/4 ×10mm。試樣以10℃/s的速度加熱到1 000℃，保溫時(shí)間為10min，然后分別以0.5℃/s，1℃/s，3℃/s，5℃/s，10℃/s，15℃/s，20℃/s，30℃/s，40℃/s，50℃/s的冷速連續(xù)冷卻至室溫，每個(gè)試樣只用一次。通過(guò)測(cè)定連續(xù)冷卻過(guò)程中膨脹量與溫度的變化曲線，采用切線法測(cè)量試樣鋼的相變點(diǎn)并整理熱膨脹數(shù)據(jù)。試樣經(jīng)鑲嵌、粗磨拋光后用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，并采用光學(xué)金相和電子顯微分析方法分析相變組織特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 連續(xù)冷卻金相組織

圖2給出了試驗(yàn)鋼在不同冷速連續(xù)冷卻的金相組織。當(dāng)冷速為0.5～1℃/s時(shí)，組織主要為多邊形鐵素體（PF）和準(zhǔn)多邊形鐵素體（QF）；在3～10℃/s范圍內(nèi)，相變組織為準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體（GB）混合組織，且隨冷速的增高，GB組織逐漸增高，QF組織逐漸減少；冷速高于20℃/s后，板條貝氏體（LB）組織開始出現(xiàn)，QF組織消失。當(dāng)冷速達(dá)到20～50℃/s時(shí)相變組織由GB和LB共同組成，且隨冷卻速度的提高，GB組織逐漸減少，LB組織含量逐漸增高，相變組織也更加細(xì)小；當(dāng)冷速達(dá)到50℃/s時(shí)，相變組織主要由LB組成，還有少量馬氏體存在。

2.2 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

在恒定的連續(xù)冷卻速率下測(cè)出連續(xù)冷卻膨脹曲線，從曲線上得到轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)和轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)的溫度。再結(jié)合上述的金相組織照片繪制CCT曲線圖，如圖3所示。

從圖3中可以看到，試驗(yàn)鋼相變點(diǎn)雖有差異，但相變組織類型基本相同。分析發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)鋼以不同的冷卻速度冷卻時(shí)，存在以下兩個(gè)相變區(qū)：奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變和奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變。在0.5～1℃/s冷卻范圍內(nèi)，可得到多邊形鐵素體和準(zhǔn)多邊形鐵素體，鐵素體的相變溫度在420～640℃之間；在3～50℃/s冷卻范圍內(nèi)，可得到貝氏體，貝氏體相變溫度在390～620℃之間；當(dāng)冷卻速度為30℃/s以上時(shí)還會(huì)出現(xiàn)部分馬氏體組織，貝氏體開始相變溫度為590℃左右，轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度為400℃左右。

圖2 試驗(yàn)鋼連續(xù)冷卻金相組織

圖3 試驗(yàn)鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

由圖3可知，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)珠光體區(qū)，通過(guò)控制冷卻速度能獲得鐵素體－貝氏體雙相組織或者是貝氏體組織，這是由于中強(qiáng)碳化物及強(qiáng)碳化物元素鉻、鉬、釩等的加入。鉻能顯著提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，使轉(zhuǎn)變?cè)杏谘娱L(zhǎng)，同時(shí)使珠光體轉(zhuǎn)變向高溫方向移動(dòng)，貝氏體轉(zhuǎn)變向低溫方向移動(dòng)，從而使珠光體區(qū)和貝氏體區(qū)分離。鉬對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變亦有強(qiáng)烈的抑制作用，但對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變影響并不顯著，因而在相當(dāng)大的冷卻速度范圍內(nèi)可獲得全部是貝氏體的組織。另外，鉬還能抑制先共析鐵素體的析出，使CCT曲線右移及珠光體區(qū)和貝氏體區(qū)的分離，出現(xiàn)過(guò)冷奧氏體的亞穩(wěn)定區(qū)，增加了鋼的淬透性。

另外，由于靜態(tài)連續(xù)冷卻過(guò)程中未發(fā)生變形，若考慮變形因素的影響，則奧氏體變形會(huì)增加奧氏體內(nèi)的缺陷密度，而缺陷一方面儲(chǔ)存了大量的畸變能，另一方面有利于鐵原子與碳原子的擴(kuò)散，因此，變形奧氏體中鐵素體和珠光體的形核速率增加，從而縮短了鐵素體相變和珠光體相變的孕育期。而在未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行多道次變形，晶粒不僅被拉長(zhǎng)，晶內(nèi)還可能出現(xiàn)較多的變形帶，存在大量的析出位置，使奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)增加，提高了相變溫度。同時(shí)，由于大量的形核位置被提供，使相變后鐵素體的晶粒更加細(xì)化。形變也使低碳貝氏體鋼等溫相變?cè)杏诳s短，使連續(xù)冷卻相變溫度提高，促進(jìn)了連續(xù)冷卻時(shí)的貝氏體和多邊形鐵素體相變，相變開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)均有提高，使貝氏體和多邊形鐵素體轉(zhuǎn)變曲線向左上方移動(dòng)。

3 結(jié)論

試驗(yàn)鋼在3～50℃/s冷卻范圍內(nèi)，均可得到貝氏體組織，當(dāng)冷卻速度為30℃/s以上時(shí)還會(huì)出現(xiàn)部分馬氏體組織。隨著冷卻速度的提高，貝氏體開始相變溫度和轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度相應(yīng)降低，顯微組織逐漸由粒狀貝氏體向板條貝氏體轉(zhuǎn)變，且相變組織越加細(xì)小。

［1］ Peng Huifen，Ma Xiaoli，Song Xiaoyan.Microstructure and properties of the 25Si2MnCrMo martensite microalloyed steel［C］.Transaction of Materials and Heat Treatment Proceedings of the 14TH IFHTSE Congress，2004，25（5）：275－278.

［2］ 余馳斌，顏飛，趙剛.奧氏體變形及其對(duì)連續(xù)冷卻相變的影響［J］.鋼鐵釩鈦，2004，25（2）：23－26.

［3］ 張世中.鋼的過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線圖集［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1993：1－21.

［4］ 潘濤，楊志剛，白秉哲，等.鋼中夾雜物與奧氏體基體熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的熱應(yīng)力和應(yīng)變能研究［J］.金屬學(xué)報(bào)，2003，39（10）：1037－1042.

（責(zé)任編校：李秀榮）

Study on Microstructure Transformation of Low Alloy High Strength Steel in Continuous Cooling

LIANG Guo－lia，YUAN Shao－qianga，HAO Binb

（a.Department of Electromechanical Engineering；b.Department of Environmental chemistry and Engineering，Tangshan College，Tangshan 063000，China）

This paper studies the microstructure transformation by thermal expansion method based on the high strength low alloy steel.The results show that the bainite structure can be got when the cooling rate is 3～50℃/s.When the cooling rate is above 30℃/s，part of martensite can be got.With the increase of cooling rate，the bainite start temperature and finish temperature is correspondingly reduced with cooling rate increase.The microstructure gradually transformed from the granular bainite to lath bainite，and the microstructure is very fine.

high strength low alloy steel；thermal expansion method；phase transformation microstructure

book=63,ebook=63

TG113.12

A

1672－349X（2012）03－0071－03

2012－02－29

河北省自然科學(xué)基金－鋼鐵聯(lián)合研究基金項(xiàng)目（E2011105006）

梁國(guó)俐（1974－），女，河北豐潤(rùn)人，副教授，博士研究生，主要從事新型材料焊機(jī)工藝研究。