超級(jí)貝氏體鋼的熱處理工藝及性能研究

張 聰，汪 淼，胡 鋒，吳開(kāi)明，羅迪歐諾娃·伊琳娜

（1.武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)國(guó)際鋼鐵研究院，湖北武漢，430081；3.俄羅斯巴爾金中央黑色冶金科學(xué)研究院，俄羅斯莫斯科，105005）

超級(jí)貝氏體鋼的熱處理工藝及性能研究

張 聰1，2，汪 淼1，2，胡 鋒1，2，吳開(kāi)明1，2，羅迪歐諾娃·伊琳娜3

（1.武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)國(guó)際鋼鐵研究院，湖北武漢，430081；3.俄羅斯巴爾金中央黑色冶金科學(xué)研究院，俄羅斯莫斯科，105005）

本文對(duì)比研究了一步、二步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變及貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配熱處理工藝對(duì)超級(jí)貝氏體鋼微觀組織與力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，三種工藝處理后的試驗(yàn)鋼組織主要為納米級(jí)貝氏體鐵素體及殘余奧氏體，且與一步法相比，二步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變及貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配處理后的超級(jí)貝氏體鋼組織更為細(xì)小，殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)下降，力學(xué)性能顯著提升，而貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配處理工藝的熱處理時(shí)間則相對(duì)較短。

超級(jí)貝氏體鋼；貝氏體轉(zhuǎn)變；碳分配；顯微組織；力學(xué)性能

Bhadeshia、Caballeo等［1-4］創(chuàng)新研發(fā)的高硅高碳低合金超級(jí)貝氏體鋼，具有良好的強(qiáng)韌性配合，與普通低碳鋼相比，該類(lèi)鋼經(jīng)奧氏體化后可在更低的溫度下發(fā)生貝氏體相變，進(jìn)而獲得納米結(jié)構(gòu)的貝氏體鐵素體板條以及薄膜狀的殘余奧氏體組織，其抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)2500 MPa，韌性大于30～40 J。然而，經(jīng)傳統(tǒng)的等溫轉(zhuǎn)變得到的超級(jí)貝氏體鋼，其殘余奧氏體中碳含量較高，這會(huì)導(dǎo)致其相變驅(qū)動(dòng)力減少，并使C曲線右移，因此需大大延長(zhǎng)等溫時(shí)間才能保證足夠含量納米級(jí)的貝氏體生成；此外，進(jìn)一步降低貝氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度雖有助于獲得板條更為細(xì)小的貝氏體組織，但長(zhǎng)達(dá)數(shù)天的轉(zhuǎn)變時(shí)間則制約了其在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。徐祖耀等［5］提出了一種超高強(qiáng)度鋼的熱處理工藝，即“淬火-碳分配-回火”工藝，其在馬氏體轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)上，增加了碳分配與回火階段，使C從過(guò)飽和馬氏體中擴(kuò)散至殘余奧氏體中，復(fù)雜碳化物也會(huì)在回火階段從馬氏體基體中析出，同時(shí)起到了增加鋼塑韌性以及析出強(qiáng)化的效果。

基于此，本文提出了一種貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配工藝，并與等溫貝氏體轉(zhuǎn)變工藝進(jìn)行對(duì)比，研究了不同熱處理方式對(duì)超級(jí)貝氏體鋼顯微組織與力學(xué)性能的影響，以期為強(qiáng)韌性良好的超級(jí)貝氏體鋼的研發(fā)及工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司某廠生產(chǎn)的熱軋鋼板，其化學(xué)成分如表1所示。

表1　超級(jí)貝氏體鋼的化學(xué)成分（wB/%）Table 1 Chemical compositions of super bainitic steel

根據(jù)J-Mat Pro軟件［6］和MUCG83軟件［7］計(jì)算的CCT、TTT曲線以及Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)［8］測(cè)定的熱膨脹曲線，可得超級(jí)貝氏體鋼的馬氏體相變溫度（MS）為208℃，貝氏體相變溫度（BS）為450℃，Ac1為721℃，Ac3為757℃。據(jù)此，采用如圖1所示的工藝分別對(duì)超級(jí)貝氏體鋼進(jìn)行熱處理。

圖1　超級(jí)貝氏體鋼的熱處理工藝Fig.1 Heat treatment processes for super bainitic steel

在熱處理試樣上截取橫截面為10 mm×10 mm的樣品，打磨拋光后，用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，采用Olympus BM51型光學(xué)顯微鏡（OM）及Nova 400 Nano型掃描電鏡（SEM）觀察試樣的組織形貌；根據(jù)GB/T 228—2002測(cè)定試樣的室溫拉伸性能；根據(jù)GB/T 229—2007測(cè)定試樣室溫及-40℃下的沖擊吸收功。

2　結(jié)果與分析

2.1顯微組織

圖2和圖3分別為不同工藝熱處理后試樣的OM和SEM照片。從圖2中可以看出，試驗(yàn)鋼的熱處理組織均為殘余奧氏體（白色）及貝氏體鐵素體（黑色），經(jīng)一步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變得到的組織中，其殘余奧氏體塊狀較大（圖2（a）），而經(jīng)兩步法處理后，組織中塊狀殘余奧氏體的尺寸顯著減小，其體積分?jǐn)?shù)也明顯下降（圖2（b）和圖2（c））。

圖2　熱處理后超級(jí)貝氏體鋼的OM照片F(xiàn)ig.2 Optical micrographs of super bainitic steel after heat treatment

從圖3中可進(jìn)一步看出，試驗(yàn)鋼顯微組織由納米結(jié)構(gòu)貝氏體鐵素體（BF）及塊狀或薄膜狀殘余奧氏體（RA）組成，納米結(jié)構(gòu)貝氏體分布于殘余奧氏體基體上；經(jīng)兩步工藝處理后的貝氏體組織均較為細(xì)小（圖3（b）和圖3（c）），且二步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變后殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)相對(duì)更少，但其等溫階段的時(shí)間（24 h）明顯長(zhǎng)于貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配工藝（30 min）。

圖3　熱處理后超級(jí)貝氏體鋼的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM micrographs of super bainitic steel after heat treatment

2.2力學(xué)性能

表2為經(jīng)不同工藝熱處理后超級(jí)貝氏體鋼的力學(xué)性能。由表2可知，經(jīng)過(guò)二步法處理后，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度提升至1300 MPa水平，且與一步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變法相比，漲幅分別為29.3%和28.9%，其抗拉強(qiáng)度也提升至1600 MPa左右水平，漲幅分別為16.3%和9.31%；由此可見(jiàn)，二步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變得到超級(jí)貝氏體鋼的強(qiáng)度最佳。在韌性方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想，經(jīng)過(guò)二步法處理后的試樣，其室溫與低溫韌性雖然較一步法有所提高，但區(qū)別并不明顯。

表2　不同熱處理工藝下超級(jí)貝氏體鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of super bainitic steel after heat treatment

3　討論

3.1熱處理工藝對(duì)材料組織的影響

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合如圖4所示的超級(jí)貝氏體鋼在不同工藝熱處理后的TEM照片［9-10］可知，試驗(yàn)鋼經(jīng)過(guò)低溫貝氏體轉(zhuǎn)變，可獲得納米級(jí)貝氏體鐵素體板條及殘余奧氏體組織，同時(shí)在貝氏體板條中也可觀察到Fe-C碳化物顆粒；而其經(jīng)過(guò)貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配工藝處理后，其顯微組織主要為納米結(jié)構(gòu)的貝氏體、殘余奧氏體、鐵素體及細(xì)小的碳化物；經(jīng)二步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變及貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配工藝處理后的試驗(yàn)鋼，其殘余奧氏體顯著細(xì)化，且新形成的貝氏體或鐵素體板條都更為細(xì)小，原因是新形成的貝氏體或鐵素體將原來(lái)的薄膜狀和微米/亞微米塊狀殘余奧氏體塊分隔成更小的區(qū)域，且都形成了富碳的納米級(jí)貝氏體或鐵素體。

圖4　超級(jí)貝氏體鋼的TEM照片F(xiàn)ig.4 TEM micrographs of super bainitic steel

另一方面，對(duì)于二步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變而言，由于未轉(zhuǎn)變奧氏體會(huì)在第二步更低的等溫溫度下保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，這使得殘余奧氏體會(huì)進(jìn)一步向納米級(jí)貝氏體鐵素體轉(zhuǎn)變。在汪興?。?1］的研究結(jié)果中該現(xiàn)象也同樣存在，即在多步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變的中碳鋼（w（C）=0.30%，w（Si）=1.46%）中，第一步生成的貝氏體也會(huì)在第二步等溫過(guò)程中得到細(xì)化；而Caballero等［12-14］在超級(jí)貝氏體的回火過(guò)程中，并未發(fā)現(xiàn)C從過(guò)飽和的貝氏體鐵素體向富碳?xì)堄鄪W氏體中分配，同時(shí)觀察到450℃回火30 min時(shí)，一些殘余奧氏體也分解為鐵素體和滲碳體。

而對(duì)于貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配工藝處理的試驗(yàn)鋼，由于在碳分配過(guò)程中，未轉(zhuǎn)變奧氏體分解成鐵素體和碳化物只需很短的時(shí)間，殘余奧氏體中的C可能會(huì)向貝氏體擴(kuò)散，未轉(zhuǎn)變的富碳奧氏體也可進(jìn)一步分解為細(xì)小的鐵素體和碳化物；在最后水淬階段，由于殘余奧氏體中含碳量較高，使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度大幅降低并低于室溫，因此中高碳鋼的淬火階段并不會(huì)有馬氏體生成。

3.2熱處理工藝對(duì)材料力學(xué)性能的影響

經(jīng)過(guò)二步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配工藝處理后，試驗(yàn)鋼力學(xué)性能顯著提高，這主要與顯微組織類(lèi)型及晶粒尺寸有關(guān)，由于細(xì)晶強(qiáng)化及析出強(qiáng)化作用的存在，納米級(jí)的組織及碳化物顆粒的形成使試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度得到顯著的提高，而貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配處理中生成的納米級(jí)鐵素體板條與在多步貝氏體轉(zhuǎn)變處理中生成的納米級(jí)的貝氏體板條都能顯著提高鋼的韌性［10］。

本實(shí)驗(yàn)熱處理后鋼的整體韌性不佳，可能是由于該納米結(jié)構(gòu)貝氏體組織在沖擊過(guò)程中，應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變的區(qū)域非常淺，距離沖擊斷口附近只有幾微米，因此在樣品沖擊過(guò)程中當(dāng)裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展時(shí)，裂紋尖端處會(huì)立即發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變，而連續(xù)的馬氏體相變很大程度上促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致沖擊實(shí)驗(yàn)得到的沖擊韌性較低［15］。與常規(guī)情況下殘余奧氏體在應(yīng)力作用下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的有益作用相反，此時(shí)殘余奧氏體在沖擊實(shí)驗(yàn)中反而會(huì)使韌性下降。

4　結(jié)論

（1）常規(guī)一步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變得到的顯微組織為貝氏體和殘余奧氏體，二步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變所得顯微組織為納米級(jí)貝氏體和殘余奧氏體，貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配工藝所得顯微組織為納米級(jí)貝氏體、殘余奧氏體和鐵素體。相對(duì)于一步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變，二步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配工藝得到的貝氏體組織更為細(xì)小，殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)明顯下降。

（2）貝氏體轉(zhuǎn)變+碳分配工藝在得到與二步等溫貝氏體轉(zhuǎn)變工藝類(lèi)似力學(xué)性能材料的同時(shí)，能大幅度地節(jié)省熱處理時(shí)間。

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［責(zé)任編輯 董 貞］

Heat treatment processes and properties of super bainitic steels

Zhang Cong1，2，Wang Miao1，2，Hu Feng1，2，Wu Kaiming1，2，Rodionova Irina3
（1.State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.International Research Institute for Steel Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；3.I.P.Bardin Central Research Institute for Ferrous Metallurgy，Moscow 105005，Russia）

In this paper，the effects of heat treatment processes，including one-step and two-step isothermal bainitic transformation as well as bainitic transformation+carbon partitioning，on the microstructures and mechanical properties of super bainitic steels were investigated comparatively.The results show that microstructures of investigated steels after three different heat treatment processes are nanostructured bainitic ferrite and retained austenite.Compared with one-step method，the super bainitic steels treated by two-step isothermal bainitic transformation and bainitic transformation+carbon partitioning techiniques exhibit finer microstructures，lower volume fractions of retained austenite and better mechnical properties，but the bainitic transformation+carbon partitioning method requires shorter heat treatment time.

super bainitic steel；bainitic transformation；carbon partitioning；microstructure；mechanical property

TG142

A

1674-3644（2016）05-0321-04

2016-03-07

湖北省科技支撐計(jì)劃（對(duì)外科技合作類(lèi)）資助項(xiàng)目（2015BHE00815）.

張 聰（1990-），女，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail:1584549347@qq.com

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