不同退火溫度下鐵素體和珠光體組織的演變分析

供稿|陳宇，胡洋，關(guān)琳，焦坤 / CHEN Yu, HU Yang, GUAN Lin, JIAO Kun

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文章主要研究了不同退火溫度下鐵素體和珠光體組織的變化以及不同組織形態(tài)對力學(xué)性能的影響。在光學(xué)顯微鏡下觀察不同退火溫度下鐵素體和珠光體組織的變化，且通過萬能拉伸機(jī)測試不同退火溫度下試樣的力學(xué)性能，經(jīng)退火后材料強(qiáng)度大幅度下降。珠光體未發(fā)生球化時，由于在加熱過程中，金屬原子活動能力增強(qiáng)，自發(fā)的向外擴(kuò)散，大晶粒吞食小晶粒而重新長大引起強(qiáng)度下降。珠光體發(fā)生球化后強(qiáng)度隨退火溫度的升高而降低的主要原因是球化珠光體的強(qiáng)度要比片層狀珠光體的強(qiáng)度低，珠光體的球化使鐵素體基體中的固溶原子擴(kuò)散并在晶界附近形成碳化物，聚集的碳化物使得固溶原子越來越少，固溶強(qiáng)化作用越來越弱，引起材料整體的強(qiáng)度下降。研究結(jié)果解釋了不同退火溫度下顯微組織的變化對力學(xué)性能的影響，對制定退火工藝有實(shí)際的指導(dǎo)意義，為降低熱軋后鋼板的強(qiáng)度來滿足用戶的特殊需求奠定了基礎(chǔ)。

常態(tài)下金相組織為鐵素體和珠光體的鋼種在實(shí)際生產(chǎn)中普遍使用，而退火工藝也是一種常見而且應(yīng)用廣泛的熱處理工藝。如何采用不同的退火溫度，來改變鐵素體和珠光體的晶粒尺寸以及組織形態(tài)，從而改變材料的力學(xué)性能，使其適用于不同客戶的需求是非常值得研究的課題。尤其近年來隨著汽車行業(yè)環(huán)保、減重節(jié)能戰(zhàn)略的提出，高強(qiáng)度鋼板在汽車行業(yè)的應(yīng)用比例逐年增加，其市場前景也非常廣闊[1]。一些應(yīng)用于汽車行業(yè)的鋼板有降低熱軋后強(qiáng)度的特殊要求。通過調(diào)整不同的退火溫度，可以改變組織的形態(tài)，達(dá)到降低鋼板熱軋后強(qiáng)度的目的?；诖?，本文主要研究了不同退火溫度下鐵素體和珠光體組織的變化以及不同組織形態(tài)對力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果解釋了不同退火溫度下顯微組織的變化對力學(xué)性能的影響，對制定退火工藝有實(shí)際的指導(dǎo)意義，為降低熱軋后鋼板的強(qiáng)度來滿足用戶的特殊需求奠定了基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)鋼為工業(yè)生產(chǎn)的高強(qiáng)度熱軋鋼板，其生產(chǎn)流程：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉→連鑄→熱連軋→力學(xué)性能檢驗(yàn)，化學(xué)成分如表1所示。取熱軋厚度為2.8 mm的試樣切成30 mm×30 mm的金相試樣4個，50標(biāo)距的拉伸試樣6個。進(jìn)行退火實(shí)驗(yàn)，退火溫度分別為610、650、680℃。具體工藝為將試樣隨爐加熱到610、650、680℃，保溫6 h，隨爐冷卻。將退火后的試樣沿垂直于軋向的橫截面切開，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕。通過光學(xué)顯微鏡對顯微組織進(jìn)行觀察，研究不同退火溫度下的組織變化。通過SEM掃描電鏡對退火金相組織中的珠光體球化后的合金富集情況進(jìn)行觀察。最后通過ZWICK萬能拉伸機(jī)對退火后的試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，研究不同退火溫度下力學(xué)性能的變化以及組織變化對力學(xué)性能的影響。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

微觀 組織檢驗(yàn)

熱軋態(tài)的組織為鐵素體+珠光體，組織細(xì)小并且晶粒不均勻，帶狀明顯，晶粒尺寸為4.88 μm，珠光體呈帶狀分布在鐵素體的晶界，為片狀珠光體。經(jīng)610℃退火后的組織為鐵素體+珠光體，鐵素體晶粒在加熱后重新長大，晶粒尺寸為7.03 μm，重新長大的鐵素體比熱軋態(tài)的鐵素體組織均勻，仍存在帶狀組織，珠光體仍為片層狀。經(jīng)650、680℃退火后的組織為鐵素體+珠光體，珠光體退火后被破碎而發(fā)生球化，組織細(xì)小均勻，無明顯帶狀組織，具體形貌如圖1所示。

掃描 電鏡檢驗(yàn)

采用SEM掃描電鏡對退火后產(chǎn)生的球化珠光體進(jìn)行分析。在650、680℃退火過程中，固溶于奧氏體中的碳，依托于未溶碳化物，以非自發(fā)形核的方式全部析出，完成了球化過程，形成了鐵素體基體上分布的球化珠光體組織[2]。在此過程中部分合金元素(如錳)未能完全溶解而聚集在球化的珠光體中，出現(xiàn)了合金富集的現(xiàn)象，具體的形貌以及富集的元素如圖2所示。

圖1 不同退火溫度的顯微組織：(a) 熱軋態(tài)；(b) 610℃退火；(c) 650℃退火；(d) 680℃退火

圖2 球化珠光體合金富集現(xiàn)象的掃描電鏡觀察

力學(xué) 性能檢驗(yàn)

熱軋態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度為820 MPa，抗拉強(qiáng)度為975 MPa，斷后伸長率為16%，經(jīng)退火后，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有大幅度的下降，并且退火溫度越高，強(qiáng)度下降的越多，680℃退火時屈服強(qiáng)度下降了380 MPa，抗拉強(qiáng)度下降了410 MPa，斷后伸長率提高了8%，具體力學(xué)性能如表2所示。

結(jié)果分析

鐵素 體晶粒長大對強(qiáng)度的影響

對熱軋態(tài)與610℃退火后的組織與性能進(jìn)行分析。由于熱軋后經(jīng)過層流水快速的冷卻，鐵素體晶粒未得到充分的長大，因此熱軋態(tài)的鐵素體晶粒細(xì)小且不均勻，而且珠光體呈片層狀分布在鐵素體的晶界處，一定程度上限制了鐵素體晶粒的長大。在退火加熱過程中，金屬原子獲得足夠的活動能力，克服了珠光體對鐵素體的限制作用。鐵素體晶粒掙脫束縛，自發(fā)的向外擴(kuò)散，大晶粒吞食小晶粒而重新長大。鐵素體晶粒變粗，晶界減少，阻礙位錯運(yùn)動的作用減小，因而強(qiáng)度降低。

鐵素 體晶粒球化對強(qiáng)度的影響

650、680℃退火后與610℃退火后的組織與性能進(jìn)行對比分析。隨著退火溫度的升高，珠光體開始產(chǎn)生球化。所謂珠光體球化是指珠光體中的滲碳體(碳化物)由片層狀結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變成球狀結(jié)構(gòu)以及后續(xù)的球狀粒子聚集長大的過程[3]。退火后組織球化的強(qiáng)度要比組織未發(fā)生球化的強(qiáng)度低，其原因是球化的珠光體強(qiáng)度要比片層狀珠光體的強(qiáng)度低，片層狀結(jié)構(gòu)的碳化物對位錯運(yùn)動的阻力要遠(yuǎn)大于球狀結(jié)構(gòu)的碳化物。珠光體球化之前，位錯在運(yùn)動過程中遇到片層狀碳化物時，由于其硬而脆，難以產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致位錯在層片狀碳化物的位置不斷地積塞，除非在足夠大的外力條件下，位錯才有可能克服阻力而開始運(yùn)動。所以認(rèn)為片層狀結(jié)構(gòu)的珠光體具有較高的強(qiáng)度，球化后的強(qiáng)度會大幅度的下降。

珠光體在球化過程中，鐵素體基體中的固溶原子會通過位錯、空位及晶界進(jìn)行擴(kuò)散并在晶界附近形成碳化物。隨著球化程度的加深，晶界碳化物聚集，固溶原子越來越少，由固溶原子而產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化作用也越來越弱，鐵素體顯微硬度因此降低，材料的整體強(qiáng)度也隨之下降[4]。

表2 退火后的材料力學(xué)性能

結(jié)束語

1) 熱軋態(tài)與退火后的金相組織均為鐵素體+珠光體。610℃退火后的金相組織與熱軋態(tài)對比，珠光體仍為片層狀，且片層有所加粗，鐵素體晶粒重新長大。650、680℃退火后的金相組織與熱軋態(tài)對比，珠光體發(fā)生球化，組織分布更加均勻。

2) 通過掃描電鏡的觀察發(fā)現(xiàn)，在650、680℃退火珠光體球化后，在珠光體球化部分存在合金元素(如錳)未能完全溶解而聚集，產(chǎn)生了合金富集的現(xiàn)象。

3) 經(jīng)退火后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有大幅度的降低。680℃退火屈服強(qiáng)度下降了380 MPa，抗拉強(qiáng)度下降了410 MPa。且強(qiáng)度隨著退火溫度的增加而下降，不同的退火溫度對斷后伸長率的影響變化不大。

4) 對熱軋態(tài)與610℃退火后的組織與性能進(jìn)行分析，得出在珠光體未發(fā)生球化時，強(qiáng)度降低的主要原因是鐵素體晶界克服了珠光體的限制作用，自發(fā)的向外擴(kuò)散，大晶粒吞食小晶粒而重新長大。

5) 退火的溫度越高強(qiáng)度越低的原因是650、680℃退火后的組織發(fā)生了球化。球化的珠光體強(qiáng)度要比片層狀珠光體的強(qiáng)度低，而且由于珠光體的球化使鐵素體基體中的固溶原子會通過位錯、空位及晶界進(jìn)行擴(kuò)散并在晶界附近形成碳化物，晶界碳化物的聚集使得固溶原子越來越少，固溶強(qiáng)化作用越來越弱，鐵素體顯微硬度因此降低，材料的整體強(qiáng)度也隨之下降。

[1] 康永林，朱國明. 中國汽車發(fā)展趨勢及汽車用鋼面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn). 鋼鐵，2014，49(12)：1

[2] 張朝磊. 鈮對軸承鋼球化退火過程中碳化物的影響. 世界金屬導(dǎo)報，2017-02-08(B08)[2007-09-26]

[3] 潘金平，潘柏定，程宏輝，等. 15CrMoG鋼管的壽命評估新方法.金屬熱處理，2012，37(10)：71

[4] 劉明武，蘇輝，張晉坤. 15CrMo鋼珠光體球化對性能的影響. 金屬熱處理，2015，40(6)：42