低溫貝氏體鋼的實(shí)驗(yàn)室研究

劉 超

(山鋼股份萊蕪分公司)

低溫貝氏體鋼的實(shí)驗(yàn)室研究

劉 超

(山鋼股份萊蕪分公司)

對(duì)低溫貝氏體鋼開展實(shí)驗(yàn)室研究，采用C、Si、Mn的成份設(shè)計(jì)，成本較低，熱處理后，低溫貝氏體鋼的組織為超細(xì)貝氏體、殘余奧氏體、馬氏體的混合組織，抗拉強(qiáng)度約1 500 Mpa,均勻延伸率約15%，有優(yōu)良的力學(xué)性能。

低溫貝氏體 組織 熱處理

0 前言

貝氏體鋼是一種具有良好強(qiáng)度和韌性的鋼種，在汽車、壓力容器、石油管線中有廣泛應(yīng)用。低溫貝氏體鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變溫度較低，約200 ℃～300 ℃，貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間長(zhǎng)，從幾十分鐘到幾十小時(shí)，較低的轉(zhuǎn)變溫度和較慢的轉(zhuǎn)變速度獲得超細(xì)的貝氏體組織，并且貝氏體鐵素體板條中間不是析出碳化物而是殘余奧氏體薄膜，其亞納米超細(xì)貝氏體和少量馬氏體、殘余奧氏體結(jié)構(gòu)決定了其超高強(qiáng)度和良好韌性[1]，能達(dá)到屈服強(qiáng)度1 000 MPa以上，均勻延伸率10%以上的優(yōu)異力學(xué)性能，近年來對(duì)低溫貝氏體鋼的研究也越來越多。

1 成分設(shè)計(jì)

對(duì)于超高強(qiáng)度貝氏體鋼的研究，化學(xué)成分設(shè)計(jì)的主要思路如下：加入較多的C和Mn以提高奧氏體穩(wěn)定性，使γ→α轉(zhuǎn)變線向低溫方向移動(dòng)，加入較多的Si、Al以抑制碳化物的析出，使得貝氏體板條中間不是析出碳化物而是殘余奧氏體薄膜，加入較多的C以提高強(qiáng)度和降低貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度B和馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度M，并且富碳的奧氏體穩(wěn)定性很強(qiáng)，在貝氏體相變過程中會(huì)以薄膜裝殘余奧氏體的形式存在于貝氏體中間，從而達(dá)到改善鋼材韌性的目的；加入較多的Mo以降低回火脆性；同時(shí)為了縮短貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間,需加入增高γ→α自由能的元素Al，為了減少臨界冷卻速度，增加貝氏體鋼的淬透性，促進(jìn)貝氏體鋼的轉(zhuǎn)變，加入較多的V和Mo，V還有細(xì)化晶粒的效果。

通過控制C含量來控制貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度B，通過控制Al含量來控制貝氏體轉(zhuǎn)變速度并綜合考慮以上因素，設(shè)計(jì)出的鋼種成份見表1

表1 鋼種成份

鋼水的熔煉設(shè)備為50 kg真空感應(yīng)爐，采用的熔煉材料為工業(yè)純鐵和高純度合金。

2 熱處理實(shí)驗(yàn)

鋼水熔煉完畢后經(jīng)模鑄→鍛造→軋制后成5 mm厚板材，然后進(jìn)行熱處理，低溫貝氏體的轉(zhuǎn)變過程中碳從貝氏體向殘余奧氏體中擴(kuò)散，進(jìn)行碳的重新分配，在低溫狀態(tài)下，該過程很漫長(zhǎng)[2]。根據(jù)LSB1、和LSB2的實(shí)測(cè)成份，查閱相圖，確定其貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍約為200 ℃～300 ℃。所以制定如下熱處理方案：

(1)先將鋼板在高溫馬弗爐內(nèi)保溫10 min，進(jìn)行鋼板的奧氏體化，奧氏體化溫度為850 ℃～900 ℃；

(2)將鋼板從高溫馬弗爐內(nèi)取出，空冷至300 ℃～400 ℃；

(3)將鋼板放入低溫馬弗爐內(nèi)，在250 ℃～290 ℃溫度范圍內(nèi)保溫較長(zhǎng)的時(shí)間，進(jìn)行奧氏體向低溫貝氏體的轉(zhuǎn)變；

(4)將鋼板保溫16 h～24 h后，從低溫馬弗爐內(nèi)取出，空冷至室溫，空冷過程中發(fā)生部分殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。

具體熱處理工藝見表2。

表2 熱處理工藝

3 結(jié)果分析

熱處理完后，做掃描電鏡、顯微金相分析和拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)設(shè)備為10 t級(jí)板材拉伸機(jī)，典型掃描電鏡照片如圖1所示、金相照片如圖2所示，放大倍數(shù)為500倍，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3，典型拉伸曲線如圖3所示。

圖1 典型掃描電鏡照片

從典型掃描電鏡照片可看出，其典型組織為細(xì)小貝氏體、馬氏體和殘余奧氏體，其中貝氏體板條尺寸約為0.1 um～0.2 um，殘余奧氏體體積占50%以上，細(xì)小的貝氏體尺寸和較多的殘余奧氏體含量有利于鋼材韌性的提高。

圖2 低溫貝氏體鋼的金相組織

從金相組織照片可看出，鋼材組織為超細(xì)貝氏體、殘余奧氏體、馬氏體的混合組織，相比于其他試樣， 2#、5#、6#、8#試樣的貝氏體晶粒更細(xì)小、尺寸更均勻，貝氏體轉(zhuǎn)變也較完全，說明這些試樣的保溫溫度和保溫時(shí)間較合適。

從表3可看出，熱處理后的鋼板抗拉強(qiáng)度性能在1 200 Mpa～1 800 Mpa波動(dòng)，延伸率在7.5%～15%波動(dòng)，體現(xiàn)了較好的力學(xué)性能；表中隨著保溫溫度的降低，貝氏體含量減少、馬氏體含量增多，鋼材的抗拉強(qiáng)度增大，延伸率降低；290 ℃為較好的貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，900 ℃為較好的奧氏體化溫度； LSB2的C、Al含量稍低一些，LSB2的延伸率要好于LSB1， LSB2與LSB1的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，說明LSB2的成份設(shè)計(jì)較為合理。

表3 低溫貝氏體鋼的力學(xué)性能

圖3 低溫貝氏體的典型拉伸曲線

試樣8的拉伸試樣為板材，尺寸為4.75 mm*12.45 mm*50 mm,拉伸曲線為圖3，其屈服強(qiáng)度為1 370 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 540 Mpa，延伸率為15.5%，該鋼材有優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性，并且拉伸曲線有明顯的屈服平臺(tái)，說明抗斷裂的塑性變形能力較好，可作為良好的吸能材料，在汽車用鋼領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

低溫貝氏體鋼采用C、Si、Mn的成份設(shè)計(jì)，成本較低，其組織為超細(xì)貝氏體、殘余奧氏體、馬氏體的混合組織，抗拉強(qiáng)度約1 500 Mpa,均勻延伸率約15%，有優(yōu)良的力學(xué)性能，是新一代重點(diǎn)研究的高強(qiáng)度貝氏體鋼。但是這種鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間較長(zhǎng)，不利于工業(yè)化應(yīng)用，還需對(duì)其生產(chǎn)工藝進(jìn)一步優(yōu)化。

[1] 徐光，操龍飛，補(bǔ)叢華，等.超級(jí)貝氏體鋼的現(xiàn)狀和進(jìn)展[J].特殊鋼, 2012,33 (1):18-21.

[2] Cahallero F G . Bhadeshis H K D H. Very Strong Bainite. Current O-pinion in Solid State and Materials Science,2004,8:251

LABORATORY STUDY OF LOW TEMPERATURE BAINITE STEEL

Liu Chao

(Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co., Ltd.)

Laboratory study of low temperature bainite steel was carry out with a low cost component design of C, Si, Mn. After heat treatment, the steel has a mixed structure of ultrafine bainite, retained austenite an d martensite. It has about 1 500 Mpa tensile strength and about 15 % uniform elongation with excellent mechanical properties.

Low temperature bainite Structure Heat treatment

超，工程師，山東.萊蕪(271104)，山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司技術(shù)中心；

2016-12-17