等溫時間對冷變形貝氏體鋼組織和性能的影響

張 月，李青春，常國威

（遼寧工業(yè)大學 材料科學與工程學院，遼寧 錦州 121001）

等溫時間對冷變形貝氏體鋼組織和性能的影響

張 月，李青春，常國威

（遼寧工業(yè)大學 材料科學與工程學院，遼寧 錦州 121001）

研究了不同等溫時間對冷變形超級貝氏體鋼組織與性能的影響。結(jié)果表明：隨著等溫時間的延長，貝氏體組織增多，殘奧含量先降低后升高，抗拉強度增加，延伸率降低。冷軋試樣在950 ℃保溫30 min后，在300 ℃保溫1 h時，延伸率最大為12.5%，組織中殘奧含量為11.1%，拉伸前后殘奧含量變化為8.8%，因發(fā)生TRIP效應使強塑積達到24.88 GPa·%，綜合性能最佳。

貝氏體；等溫時間；冷變形；組織；性能

貝氏體是過冷奧氏體的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，轉(zhuǎn)變溫度介于珠光體和馬氏體轉(zhuǎn)變溫度之間，這種組織自被發(fā)現(xiàn)以來[1]一直受到研究人員的關注[2]，近年來開發(fā)的一種組織為貝氏體鐵素體和薄膜狀殘余奧氏體交替組成的晶粒尺寸達到納米級的新型鋼種[3]更是成為了有發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)構材料，這種鋼種被稱為超級貝氏體鋼或納米貝氏體鋼[4-5]等。已有研究發(fā)現(xiàn)通過加入一定量的非碳化物形成元素 Si來抑制相變時滲碳體析出[6-7]而獲得該種組織。最常見的改性研究為改變奧氏體化條件[8-10]的研究。

本文主要利用電鏡進行組織形貌觀察、利用X射線衍射儀做定性和定量分析及力學性能表征等方法，研究貝氏體等溫轉(zhuǎn)變時間對冷變形超級貝氏體鋼組織與性能的影響，分析其組織和性能的變化規(guī)律。

1 實驗材料與方法

實驗以Fe-0.6C-0.35Mn-2.5Si-0.78Al鋼為實驗材料，將實驗鋼切成6 mm后板料，在冷軋機上軋制成3 mm的板料。將軋制后的板料按國家拉伸實驗標準GB/T228.1-2010加工成標距為30 mm的板材試樣，然后把試樣放在高溫爐950 ℃保溫30 min后，迅速放入300 ℃的鹽浴爐內(nèi)分別保溫1、2 h和3 h后空冷至室溫。熱處理后制備金相試樣，利用型號為Axiovert 200 MAT的蔡司顯微鏡和型號為S-3000N掃描電子顯微鏡進行組織觀察，利用CMT5305型號的電子萬能試驗機進行拉伸實驗，對其力學性能進行表征，選用X射線衍射儀（D/MAX PC-2500）對切取的拉伸試樣的夾持端和斷口試樣做定相和定量分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 等溫時間對超級貝氏體鋼組織的影響

為了考察等溫貝氏體轉(zhuǎn)變時間對貝氏體組織的影響，將冷軋試樣在950 ℃保溫30 min后，在300 ℃分別保溫1、2 h和4 h。圖1為其不同等溫處理時間的超級貝氏體組織。

圖1 不同等溫處理時間的超級貝氏體組織

通過測試Fe-0.6C-0.35Mn-2.5Si-0.78Al鋼熱膨脹曲線，得出該鋼在300 ℃保溫2 h，等溫貝氏體轉(zhuǎn)變已經(jīng)結(jié)束。從圖1可以看出，實驗鋼在300 ℃保溫1 h后，組織中除了貝氏體外，在原奧氏體晶界有少量鐵素體，在300 ℃保溫2、4 h處理后，得到的全是貝氏體組織。獲得的貝氏體均為貝氏體鐵素體(深色)和薄膜狀殘余奧氏體(淺色)相隔平行排布的顯微組織，等溫時間不同，貝氏體鐵素體和薄膜狀殘奧的厚度變化不大，貝氏體鐵素體厚度主要在200～600 nm之間，薄膜狀殘奧的厚度主要在500 nm到1 μm之間，還有些塊狀殘奧。

圖2是不同等溫處理時間下超細貝氏體鋼的XRD圖譜及拉伸實驗前殘奧的含量?？梢钥闯?，超細貝氏體組織均由bcc結(jié)構的α相和fcc結(jié)構的γ相組成。根據(jù)計算的殘奧含量發(fā)現(xiàn)，在300 ℃保溫1 h，殘奧含量最多，為11.1%。在300 ℃延長保溫時間到2 h，殘奧含量明顯降低，為5.8%。與保溫2 h相比，延長保溫時間到4 h，殘奧含量略有增加，為7.2%。

圖2 不同等溫處理時間下超細貝氏體鋼的XRD圖譜及拉伸實驗前殘奧的含量

根據(jù)Fe-0.6C-0.35Mn-2.5Si-0.78Al鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線，該鋼在300 ℃等溫貝氏體轉(zhuǎn)變孕育期為2 h。在300 ℃保溫1 h，還有部分奧氏體沒有轉(zhuǎn)變成貝氏體，這部分奧氏體在等溫后的空冷過程中，部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，大部分殘留到室溫。因此，在300℃保溫1 h，殘奧含量最多。在300 ℃保溫2 h后，殘奧含量明顯降低，這是因為等溫貝氏體轉(zhuǎn)變基本結(jié)束，剩余的殘奧數(shù)量減少，這部分殘奧部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，部分殘留到室溫。因此與保溫1 h相比，保溫2 h后殘奧含量明顯降低。當保溫時間延長到4 h，由于貝氏體鐵素體中溶質(zhì)碳向殘奧中擴散，殘奧因碳含量增加而穩(wěn)定，因此在隨后的空冷過程中，殘奧沒有轉(zhuǎn)變成馬氏體而保留到室溫。與保溫2 h相比，保溫4 h后，殘奧含量略有增加。

2.2 等溫時間對超級貝氏體鋼力學性能的影響

圖3為超細貝氏體鋼在拉伸實驗后的XRD圖譜和拉伸實驗前后殘余奧氏體含量的變化。從圖中可以看出，試樣在拉伸實驗后殘余奧氏體的含量明顯降低。在300 ℃等溫1 h，實驗鋼拉伸前后殘奧含量變化最多為 8.8%。而實驗鋼 300 ℃等溫 2 h和4 h后，拉伸前后殘奧含量變化基本相同為4.5%和4.9%。

圖3 超細貝氏體鋼的XRD圖譜及殘余奧氏體含量值

經(jīng)測得實驗鋼在300 ℃等溫1、2 h和4 h的殘奧含量中碳含量分別為1.72%、1.70%和1.78%。圖4為不同保溫時間處理后超細貝氏體鋼的應力-應變曲線，冷軋試樣在不同等溫處理時間下超細貝氏體鋼的拉伸性能曲線如圖5所示。從圖4和圖5可以看出，實驗鋼在300 ℃等溫，隨著等溫時間的延長，抗拉強度增加，伸長率降低。在300 ℃保溫1 h，實驗鋼的伸長率最好，為12.5%，強塑積最大，為24.88 GPa·%。此時殘奧含量為11.1%，殘奧中碳含量為1.72%，實驗鋼在拉伸實驗前后殘奧含量變化明顯（8.8%），說明發(fā)生了TRIP（transformation-induced plasticity）效應，導致其綜合力學性能較佳。

圖4 不同保溫時間處理的應力-應變曲線

圖5 不同保溫時間處理的拉伸性能曲線

3 結(jié)論

(1)Fe-0.6C-0.35Mn-2.5Si-0.78Al鋼試樣在 950℃保溫30 min、300 ℃保溫1 h后，組織為貝氏體和晶界鐵素體；在300 ℃保溫2、4 h后，組織為貝氏體，貝氏體組織均為貝氏體鐵素體和薄膜狀殘余奧氏體相隔平行排布的顯微組織。(2)隨著等溫時間的延長，試驗鋼的殘余奧氏體含量呈現(xiàn)先降低，后增加的規(guī)律。與保溫1 h相比，保溫2 h，貝氏體轉(zhuǎn)變完全，所以殘奧含量降低，保溫4 h時，由于碳的擴散，殘奧中碳含量增加，殘奧穩(wěn)定性增加，所以殘奧含量增加。(3)隨著等溫時間的延長，試驗鋼的抗拉強度增加，延伸率降低。保溫1 h時，延伸率最高為12.5%，抗拉強度最低。此時的強塑積最大，為24.88 GPa·%，綜合性能最佳。

[1]Davenport E S,Bain E C.Transformation of austenite at constant subcritical temperatures[J].Metallurgical Transactions,1970,1(12): 3503-3530.

[2]席光蘭,馬勤.貝氏體鋼的研究現(xiàn)狀和發(fā)展展望[J].材料導報,2006,20(4): 78-81.

[3]Caballero F G,Bhadeshia H K D H.Very strong bainite[J].Current Opinion in Solid State & Materials Science,2004,8(3): 251-257.

[4]劉宏基,孫俊杰,郭生武,等.超高碳鋼超級貝氏體轉(zhuǎn)變及組織與性能[J].金屬熱處理,2015,40(3): 23-29.

[5]Garcia-Mateo C,Caballero F G.Ultra-high-strength Bainitic Steels[J].Isij International,2006,45(11): 502-506.

[6]Miihkinen V T T,Edmonds D V.Microstructural examination of two experimental high-strength bainitic low-alloy steels containing silicon[J].Materials Science and Technology,1987,3(6): 422-431.

[7]Miihkinen V T T,Edmonds D V.Tensile deformation of two experimental high-strength bainitic low-alloy steels containing silicon[J].Materials Science and Technology,1987,3(6): 432-440.

[8]趙洪壯,Lee S J,Lee Y K,等.奧氏體化時間對 AISI 4340鋼貝氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變動力學的影響[J].材料熱處理學報,2006,27(4): 53-56

[9]張曉燕,閆超杰,梁益龍,等.冷卻速度對新型貝氏體鋼顯微組織和力學性能的影響[J].熱加工工藝,2008,37(16): 20-22.

[10]劉偉,張月,李青春,等.奧氏體化條件對超細貝氏體鋼組織及性能的影響[J].鑄造,2016,65(9): 907-910.

Effect of Isothermal Time on Microstructure and Properties of Super Bainitic Steel Treated by Cold Deformation

ZHANG Yue,LI Qing-chun,CHANG Guo-wei
（School of Materials Science and Engineering,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China）

The effects of different isothermal time on the microstructure and mechanical properties of super bainitic steel treated by cold deformation were studied.The results show that isothermal time ascending and bainite increasing,retained austenite decreased then increased,the tensile strength increases gradually and the elongation decreases.When the experimental steel of cold-rolled was austenitized at 950 ℃ for 30min,staying at 300 ℃ for 1 h,elongation reached the maximum value of 12.5%,the content of retained austenite is 11.1%,then the change of content of retained austenite is 8.8%,strength-ductility is 24.88 GPa·% for TRIP effect,comprehensive property is the best.

bainite; isothermal time; cold deformation; microstructure; mechanical property

TG142.2

A

1674-3261(2017)05-0324-04

10.15916/j.issn1674-3261.2017.05.011

2017-07-23

遼寧省教育廳重點實驗室項目資助（LZ2015046）

張 月(1991-)，女，遼寧綏中人，碩士生。

李青春(1972-)，女，遼寧錦州人，教授，博士。

責任編校：劉亞兵