高碳鋼82B不同連續(xù)冷卻條件下基體相變行為研究

王 海 賓

（1河鋼集團(tuán)宣鋼公司 技術(shù)中心，河北 宣化075100；2河北省鋼結(jié)構(gòu)用鋼工程技術(shù)研究中心，河北 宣化075100）

1 前 言

82B是生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的主要原材料。預(yù)應(yīng)力鋼絞線在高鐵、高速公路橋梁、碼頭、港口、水利樞紐、機(jī)場(chǎng)、城市輕軌及地鐵、體育場(chǎng)館、高層建筑、礦山支護(hù)等方面應(yīng)用非常廣泛，而且市場(chǎng)需求量巨大。我國(guó)2018年預(yù)應(yīng)力鋼絞線年產(chǎn)量567萬t，2019年預(yù)計(jì)產(chǎn)量達(dá)到600萬t。82B軋制后不同冷卻速度對(duì)金相組織和力學(xué)性能的影響非常顯著，因此，82B軋制后合理控制冷卻速度，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制有著重要的意義。

本文以河鋼宣鋼生產(chǎn)的82B為研究對(duì)象，研究了在不同冷卻速度條件下，82B鋼內(nèi)部組織的變化規(guī)律，測(cè)定了不同冷卻速度條件下對(duì)應(yīng)的顯微硬度值，繪制了82B靜態(tài)CCT曲線，為提升82B熱軋盤條控冷效果提供了理論依據(jù)［1-2］。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用材料為河鋼宣鋼生產(chǎn)的Φ12.5 mm規(guī)格82B盤條。試驗(yàn)所用試樣如圖1所示，試樣頂端為加熱部位，其規(guī)格為Φ2 mm×2 mm圓柱。為了準(zhǔn)確測(cè)量試驗(yàn)過程中溫度的變化，需在試驗(yàn)前利用點(diǎn)焊機(jī)在試樣的凹槽內(nèi)焊接熱電偶。將準(zhǔn)備好的試樣在Formastor-FII全自動(dòng)相變儀上進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

圖1 試樣示意圖

首先在真空狀態(tài)下，以10℃/s的速度加熱至500℃，再以0.05℃/s的速度升溫到1 200℃，并保溫5 min，最后以60℃/s的冷卻速度冷卻至室溫，得到升溫時(shí)的溫度-膨脹曲線，利用切線法確定Ac1和Ac3。然后將試樣以10℃/s的速度加熱至1 200℃，保溫5 min，保證試樣完全奧氏體化；隨后，以5℃/s的速度冷卻至900℃，保溫10 s，用以作為溫度緩沖區(qū)間，然后分別以不同的冷卻速度冷至室溫。試驗(yàn)全程通入保護(hù)氣體，防止在升溫及降溫時(shí)發(fā)生高溫氧化。試驗(yàn)結(jié)束后獲得冷卻過程中的膨脹曲線，根據(jù)切線法確定相變點(diǎn)，具體試驗(yàn)工藝示意圖如圖2所示。模擬試驗(yàn)結(jié)束后，利用電火花線切割沿試樣中部橫向取樣，將切割后的試樣使用超聲波清洗儀去除表面的油污。對(duì)試樣進(jìn)行熱鑲嵌，依次用粒度尺寸 0.06、0.04、0.028、0.014、0.010、0.007、0.005、0.003、0.002 mm砂紙打磨，再經(jīng)機(jī)械拋光，最后用4%硝酸酒精腐蝕，并用酒精烘干備用。利用光學(xué)顯微鏡來觀察試樣組織，并用顯微維氏硬度儀測(cè)定維氏硬度。

圖2 試驗(yàn)工藝示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 臨界相變點(diǎn)的確定

材料在發(fā)生相變時(shí)，新相和母相會(huì)因結(jié)構(gòu)和比容不同，導(dǎo)致材料的體積發(fā)生顯著的變化，在溫度-膨脹量關(guān)系曲線上體現(xiàn)為拐點(diǎn)，據(jù)此可確定為相變點(diǎn)。圖3為82B升溫膨脹曲線，圖中實(shí)線為測(cè)量的膨脹量曲線，虛線為切線，其切點(diǎn)即為相變點(diǎn)。從圖中可知，試驗(yàn)鋼82B的Ac1和Ac3點(diǎn)分別為700℃和724℃。

圖3 溫度-膨脹量關(guān)系曲線

3.2 82B基體組織相變行為研究

3.2.1 不同冷速下顯微組織及硬度

圖4為82B在不同冷卻速度下過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變后的顯微組織。當(dāng)冷卻速度為0.1℃/s時(shí)，試樣組織為珠光體、索氏體和少量的二次滲碳體。當(dāng)冷卻速度為0.5℃/s時(shí)，組織仍為珠光體、索氏體、少量的二次滲碳體，此時(shí)滲碳體含量減少。當(dāng)冷卻速度達(dá)到1～3℃/s時(shí)，試樣組織為珠光體和索氏體，滲碳體完全消失。當(dāng)冷速增加到5℃/s時(shí)，基體組織為珠光體、索氏體和馬氏體的混合物，且馬氏體開始出現(xiàn)。在7～10℃/s時(shí)，珠光體和索氏體含量逐漸減少，馬氏體含量逐漸增多。當(dāng)冷速為15℃/s，試樣組織仍為少量珠光體、索氏體和馬氏體，此時(shí)由于生成的珠光體和索氏體含量少，溫度-膨脹量曲線上無法體現(xiàn)珠光體和索氏體的轉(zhuǎn)變過程。隨著冷速進(jìn)一步提高，組織中馬氏體含量增多，當(dāng)冷速為20、30、40、50 ℃/s時(shí)，組織主要為馬氏體。

圖4 82B在不同冷卻速度下過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變后的顯微組織

利用型號(hào)為FM-700的顯微硬度計(jì)來測(cè)定不同冷卻速度下基體組織的顯微維氏硬度，其中測(cè)量載荷為100 N，保荷時(shí)間為10 s，每個(gè)冷卻速度下的試樣測(cè)量8～10個(gè)點(diǎn)，取其平均值作為試樣在此冷卻速度下的顯微維氏硬度值。將測(cè)量后的顯微維氏硬度與冷卻速度一一對(duì)應(yīng)，得到如圖5所示的冷卻速度與顯微硬度值的關(guān)系曲線。當(dāng)冷速＜3℃/s時(shí)，隨冷速的增加，珠光體和索氏體片層間距減小，單位體積鋼中鐵素體和滲碳體相界面越多，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用越大，硬度逐漸增大。當(dāng)冷速達(dá)到5℃/s時(shí)，由于組織中出現(xiàn)馬氏體，其硬度迅速增加且增幅較大。當(dāng)冷速?gòu)?℃/s增加到15℃/s時(shí)，馬氏體含量逐漸增多，珠光體和索氏體含量逐漸減少，硬度隨冷速的增加呈線性上升趨勢(shì)。當(dāng)冷速達(dá)到20～50℃/s時(shí)，由于相變產(chǎn)物為穩(wěn)定的馬氏體相，試驗(yàn)鋼顯微硬度達(dá)到峰值且沒有顯著的變化［3］。

3.2.2 CCT曲線繪制

根據(jù)試驗(yàn)鋼82B在不同冷卻速度下的溫度-膨脹量曲線，用切線法確定過冷奧氏體在不同冷卻速度下相產(chǎn)物的轉(zhuǎn)變開始溫度以及相轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度。此外，結(jié)合金相顯微組織以及顯微維氏硬度，來確認(rèn)不同冷卻速度下的顯微組織以及不同顯微組織的維氏硬度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。從表中可看出，當(dāng)冷卻速度達(dá)到5℃/s時(shí)，基體組織中出現(xiàn)馬氏體相，顯微維氏硬度也發(fā)生了顯著的變化。

圖5 82B不同冷卻速度與顯微硬度值的關(guān)系曲線

表1 不同冷速下相變溫度及微觀硬度

由表1可知不同冷卻速度下過冷奧氏體相轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)及結(jié)束點(diǎn)，將相變點(diǎn)繪制到溫度-時(shí)間（對(duì)數(shù)）坐標(biāo)上，用曲線將具有相同物理意義的點(diǎn)連接起來，標(biāo)出Ac1、Ac3和Ms點(diǎn)即可得到試驗(yàn)鋼82B靜態(tài)CCT曲線，如圖6所示。圖中冷卻曲線旁的數(shù)字為冷卻速度，曲線下端對(duì)應(yīng)各冷速下的顯微維氏硬度。

從圖6可看出，CCT由珠光體（索氏體）轉(zhuǎn)變開始線、珠光體（索氏體）轉(zhuǎn)變結(jié)束線及馬氏體轉(zhuǎn)變開始線組成，當(dāng)冷卻速度達(dá)到5℃/s時(shí)，組織中開始馬氏體組織；當(dāng)冷卻速度＞10℃/s時(shí)，珠光體（索氏體）轉(zhuǎn)變結(jié)束，只有馬氏體相轉(zhuǎn)變。馬氏體的臨界冷卻速度為5℃/s，觀察圖4e的金相組織可發(fā)現(xiàn)在盤條中心部位出現(xiàn)亮白色的馬氏體組織，經(jīng)驗(yàn)證，馬氏體的臨界冷卻速度為5℃/s。

圖6 82B靜態(tài)CCT曲線

4 結(jié)論

4.1 測(cè)得82B臨界點(diǎn)Ac1=700℃，Ac3=724℃，馬氏體臨界冷卻速度為5℃/s。

4.2 試驗(yàn)鋼82B在冷卻速度為0.1～3℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物主要為珠光體和索氏體；冷卻速度達(dá)到5℃/s時(shí)，馬氏體開始出現(xiàn)；當(dāng)冷速為5～15℃/s時(shí)，馬氏體逐漸增多，珠光體和索氏體逐漸減少。當(dāng)冷速＞20℃/s時(shí)，基體組織為穩(wěn)定的馬氏體相。

4.3 82B在控冷過程中，最佳冷卻速度不應(yīng)超過5℃/s，該條件下可避免產(chǎn)生馬氏體組織，得到大量珠光體和索氏體組織，有利于改善盤條的拉拔加工性能。