貝氏體型非調質鋼連鑄圓壞組織和力學性能研究

文章編號：2096-2983（2025）03-0035-07

關鍵詞：熱處理；貝氏體型非調質鋼連鑄圓坯；取樣位置；板條貝氏體；粒狀貝氏體中圖分類號：TQ153.1 文獻標志碼：A

Abstract： Using equipment such as metallographic microscope， scanning electron microscope， X-ray diffractometer，Rockwell hardness tester，and electronic universal material testing machine， the effects of 450^°C tempering on the microstructure and mechanical properties of a bainitic type non-quenched and tempered steel continuous casting round bilet at different positions were studied. The diameter of the bainitic non-quenched and tempered steel continuous casting round billet was 230mm ，and the samples were cut along the radius from the center to the edge at equal distances.The results of microstructure observation show that as the sampling position is closer to the edge of the bainitic type non-quenched and tempered steel continuous casting round bilet， the size of austenite grains and the size of martensite islands （martensite/austenite islands）are smaller，the number of martensite islands is greater，the volume fraction of lath bainite is larger，the length and width of the lath are smaller，and the volume fraction of granular bainite is smaller.The test results of mechanical properties show that as the sampling position is closer to the edge of the bainitic type non-quenched and tempered steel continuous casting，the Rockwell hardness，tensile strength， yield strength and elongation are all larger of the bainitic type non-quenched and tempered steel continuous casting round billet. The mechanical properties at the edge are the best.

Keywords： heat treatment; bainitic type non-quenched and tempered steel continuous casting round billet; sampling location； lath bainite； granular bainite

貝氏體型非調質鋼（記為B鋼）具有良好的強度和韌性，其含碳量一般較少[1]，顯微組織基本為貝氏體，有少量鐵素體和珠光體，抗拉強度可達800～1000MPa ，甚至更高[2。目前B鋼已被廣泛應用于工程機械、車輛、民用、海洋等領域[3-4]。B鋼通常經(jīng)熱處理后空冷，因此具有良好的強韌性[5，其力學性能超過了典型貝氏體鋼和調質鋼的力學性能。然而，尺寸較大的B鋼零件經(jīng)熱處理后空冷時，表面和心部由于存在冷速差，會導致其端面力學性能不均勻[7-8]，進而影響其使用性能。

在已有的報道中，李夢鴿等研究表明，不同直徑貝氏體鋼試棒，空冷 + 回火后均為貝氏體鐵素體和殘余奧氏體，屬于無碳化物貝氏體組織；直徑30mm 以下試棒經(jīng)熱處理后組織變化較小，直徑50～70mm 試棒經(jīng)熱處理后心部組織粗化，粒狀貝氏體體積分數(shù)增加。隨試棒直徑的增加，熱處理后其強度和硬度有降低的趨勢。羅毅等[1研究了一種直徑和長度依次為 460mm 和 800mm 的非調質預硬型塑料模具鋼，研究表明，心部組織比表層的粗大，表層存在變形帶特征，心部貝氏體鐵素體板條的寬度比表層的寬。王思倩等[1]研究了尺寸因素對35CrMoV鋼力學性能的影響，結果表明：力學性能從表層到次表層明顯變差，從次表層往里略有變差；組織由回火索氏體過渡為回火索氏體和貝氏體的混合組織。目前，國內關于直徑 200mm 以上大尺寸B鋼熱處理工藝對其不同位置顯微組織和力學性能影響的研究較少，且大部分是關于心部和邊緣微觀組織的力學性能差異的研究，不能代表整個B鋼的力學性能差異；并且隨著相關技術的發(fā)展，大尺寸B鋼的應用越來越廣，比如工程機械、汽車、煤礦機械等一系列對零部件整體性能要求高的領域。因此，本文研究 450°C 回火對大尺寸B鋼連鑄圓壞不同位置顯微組織和力學性能的影響，以期為該類鋼的實際設計與應用提供參考，從而使實際應用過程中的構件滿足使用需求。

1試驗

1.1 試驗材料和試驗過程

本試驗中研究的B鋼連鑄圓坯由江蘇某集團生產(chǎn)，化學成分見表1。其生產(chǎn)工藝為：（1）將生鐵和廢鋼加入電弧爐中，加熱到高溫使其融化并混合均勻；（2）將混合均勻的鋼水轉移到鋼包精煉爐中，進行精煉后經(jīng)真空處理爐進行脫氣；（3）將脫氣后的鋼水拉成連鑄坯并緩冷；（4）采用連軋機將連鑄坯加工成棒材，初軋溫度為 1100^°C 左右，終軋溫度為950^°C 左右，最終形成直徑為 230mm 的棒材，然后進行空冷；（5）冷卻至室溫后將棒材加熱到 450°C 保溫 12h ，然后進行空冷。沿半徑方向從心部到邊緣等距切取試樣。金相試樣的尺寸為 12mm× 12mm×1mm 。拉伸試樣按GB/T228.1—2010的要求設計并切取，從心部到邊緣等距切取的試樣依次記為 B-0，B-1，B-2，B-3. ，如圖1所示。

1.2 表征方法

采用（FEIQUANTA450）掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）表征顯微組織;（LEICADMI8）倒置金相顯微鏡觀察金相組織；

（BRU-KER D8ADVANCE）X射線衍射儀（X-raydiffractometer，XRD）獲取XRD譜圖;（PROTOLXRD）高速測量立式XRD表征試樣中殘余奧氏體的質量分數(shù)；洛氏硬度測試在洛氏硬度計上進行，隨機選取10個點測量并取平均值；（Z100HT）萬能材料試驗機進行拉伸試驗，獲得試樣的應力-應變曲線。

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織分析

圖2是B鋼不同取樣位置的金相組織。由圖2可知，B鋼有多種組織，以粒狀貝氏體、板條貝氏體和鐵素體組織為主。B-0處粒狀貝氏體體積分數(shù)大，板條貝氏體體積分數(shù)小，板條束最粗且最長，晶粒尺寸最大；與B-0處比，B-1和B-2處的粒狀貝氏體體積分數(shù)減小，板條貝氏體體積分數(shù)增大，板條束寬度減小、長度減短，晶粒尺寸減小;B-3處粒狀貝氏體體積分數(shù)最小，板條貝氏體體積分數(shù)最大，板條束最小且長度最短，晶粒尺寸最小。采用Image-ProPlus軟件統(tǒng)計了奧氏體晶粒的平均尺寸以及鐵素體的體積分數(shù)，結果如表2所示。表2的結果說明，隨著取樣位置逐漸靠近邊緣，奧氏體晶粒尺寸逐漸減小，鐵素體體積分數(shù)逐漸增大，這主要是因為在空冷時B鋼直徑較大造成不同位置冷

表2奧氏體晶粒平均尺寸和鐵素體體積分數(shù)

卻速率不同導致的。越靠近B鋼邊緣其冷卻速率越大，從而獲得更多板條貝氏體，且板條束尺寸和晶粒尺寸減小、粒狀貝氏體體積分數(shù)減小。

圖3是B鋼不同取樣位置的SEM圖。由圖3可知，B鋼微觀組織為板條貝氏體、粒狀貝氏體以及鐵素體的混合組織，隨著取樣位置越靠近B鋼邊緣，板條貝氏體的板條束長度越短且寬度越小，這與金相組織觀察結果一致；存在一些細小的和大塊的馬奧島（馬氏體/奧氏體島），以及一些分解的馬奧島，這主要是因為高溫回火使部分馬奧島分解。采用Image-ProPlus軟件統(tǒng)計了10張放大2000倍的SEM圖，獲得了B鋼中馬奧島的平均尺寸，如圖4所示。由圖4可知，取樣位置越靠近B鋼邊緣，馬奧島尺寸越小。這主要是由于空冷時B鋼不同位置冷卻速率不同，其邊緣冷卻速率大，導致貝氏體轉變開始溫度低、相變驅動力大、碳原子擴散不充分，造成奧氏體只能在短距離內出現(xiàn)富碳和馬奧島尺寸減小、數(shù)量增加、間距縮短[12]

圖5是B鋼不同取樣位置的XRD譜圖。圖5中幾乎觀察不到殘余奧氏體的峰，表明B鋼中殘余奧氏體的占比很少，故采用PROTOLXRD型高速測量立式XRD表征殘余奧氏體的質量分數(shù)。經(jīng)測量得出B-0、B-1、B-2、B-3處殘余奧氏體質量分數(shù)分別為 0.68%0.62%0.60%0.47% 。由圖5可知，B鋼不同取樣位置的XRD峰主要是鐵素體的峰，未見碳化物的峰，由此表明，不同取樣位置的組織主要是貝氏體、鐵素體和少量殘余奧氏體。

2.2 力學性能分析

圖6為B鋼不同取樣位置的洛氏硬度。由圖6可知，B-0處洛氏硬度最小，為33.5;B-1和B-2處洛氏硬度有所增大，分別為35.2和36.4；B-3處洛氏硬度最大，為38.1。由此可以看出，B鋼洛氏硬度由心部到邊緣逐漸增大。這主要和不同位置的組織和晶粒尺寸大小有關，越靠近邊緣，貝氏體晶粒和組織越細小，因此洛氏硬度會越大。

圖7為B鋼不同取樣位置的應力-應變曲線。圖8為B鋼的抗拉強度、屈服強度和伸長率與取樣位置的關系。由圖7和8可知，隨著取樣位置逐漸靠近B鋼邊緣，其抗拉強度、屈服強度和伸長率均逐漸增大。B-0處抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為 1008.1MPa，791.7MPa，11.8% B-3處抗拉強度、屈服強度和伸長率達到最大值，分別為1080.5MPa，828.1MPa，15.6% ，說明其邊緣的力學性能優(yōu)于心部的。

根據(jù)金相組織圖和SEM圖可知，從B-0處到B-3處，板條貝氏體體積分數(shù)不斷增大，粒狀貝氏體體積分數(shù)不斷減小。與粒狀貝氏體相比，板條貝氏體對低碳鋼的強化作用更大，板條貝氏體類型低碳鋼的強度均優(yōu)于粒狀貝氏體類型低碳鋼的[13-14]，且隨板條貝氏體體積分數(shù)和馬奧島體積分數(shù)的增大，其拉伸強度增大[15-16]。同時，從金相組織可知，取樣位置越靠近B鋼邊緣，其晶粒尺寸越小，晶粒數(shù)量和晶界數(shù)量越多。在塑性變形時，變形能均勻地分布在各個晶粒內，從而提高B鋼塑性變形能力。通過進一步觀察微觀組織可知，B鋼邊緣板條貝氏體明顯細化。組織和晶粒的細化能夠有效提高B鋼強度和塑性。此外，鐵素體對B鋼塑性也有影響，鐵素體體積分數(shù)越大，B鋼塑性越大。由表2可知，從B-0處到B-3處，鐵素體體積分數(shù)不斷增大，因此，B鋼邊緣抗拉強度和伸長率均最大。

由表2可知，隨著取樣位置越靠近B鋼邊緣，其晶粒尺寸越小。晶粒的尺寸決定了晶界的數(shù)量。在室溫下，晶界對B鋼中位錯的滑移具有阻礙作用，從而影響 B 鋼的起始塑性變行抗力[17]。根據(jù)Hall-Petch公式：

σ=σ₀+kd^-1/2

式中： σ 為多晶體的屈服強度； d 為晶粒的平均直徑； σ₀ 為對變形的阻力，相當于極大單晶的屈服強度;k為晶界對變形的影響系數(shù)，與晶界結構有關[18]。

當多晶體晶粒的平均直徑減小時，多晶體屈服強度提高，因此，B鋼邊緣屈服強度最好。

2.3 斷口分析

圖9為B鋼不同取樣位置斷口的SEM圖。由圖9可知，B鋼不同取樣位置斷口均存在頸縮現(xiàn)象，且凹凸不平；B-0處斷口主要為韌窩和部分準解理面，此處塑性最差;B-1處斷口主要為韌窩和少量準解理面，此處塑性有所提高；B-2處斷口主要為韌窩狀斷口，韌窩分布均勻，為典型的韌性斷裂，此處塑性比較好；B-3處斷口為比較致密的韌窩，同時出現(xiàn)了較大尺寸的韌窩，為典型的韌性斷裂，此處塑性最好。

3結論

（1）經(jīng) 450°C 回火后，B鋼為板條貝氏體、粒狀貝氏體和鐵素體的混合組織。取樣位置越靠近B鋼邊緣，其中板條貝氏體體積分數(shù)越大，板條束長度越短、寬度越小，粒狀貝氏體體積分數(shù)越小，馬奧島尺寸和晶粒尺寸越小。

（2）大直徑B鋼邊緣的力學性能最好。隨著取樣位置越靠近B鋼邊緣，其洛氏硬度、抗拉強度、屈服強度和伸長率均越大。B鋼邊緣洛氏硬度、抗拉強度、屈服強度和伸長率分別達到38.1、1080.5MPa，828.1MPa，15.6%

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（編輯：何代華）