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奥氏体变形条件下低碳微合金钢中的贝氏体相变

奥氏体变形条件下低碳微合金钢中的贝氏体相变

李维娟,李胜利,王 方

(鞍山科技大学材料科学与工程学院,辽宁鞍山 114044)

摘要:采用G leeb l e 21500热模拟机对低碳Mn 2Nb 2T i 钢进行了奥氏体区变形和变形后的冷却试验,借助于光学显微镜和扫描电镜分析了变形和冷却速度对显微组织的影响。结果表明,随着奥氏体形变量的增大,奥氏体向铁素体的相变增加,向贝氏体的相变减少,贝氏体中的铁素体和小岛由细长条状逐渐向近等轴状变化,铁素体板条间的小岛逐渐变化为存在于某些铁素体的晶界上。随着变形后的奥氏体冷却速度增大,铁素体量减少,贝氏体量增加,粒状贝氏体也逐渐由板条贝氏体所取代。关键词:低碳微合金钢;奥氏体变形;贝氏体

中图分类号:TG 113.12 文献标识码:A 文章编号:025426051(2005)0620070204

Ba in ite Transform a tion of Ausform ed Low C arbon M icroa lloyed Steel

L IWe i 2j u an ,LI Sheng 2l,i WANG Fang

(School ofM aterials Science and Engi n eeri n g ,Anshan University of Science and Technology ,

Anshan Liaon i n g 114044,China)

Abstr act :U si n g G leeble1500ther mo m echan ical si m u lator ,t h e experi m ents of ausf or m ing treat m ent and the subsequent cooling were carried out f or l o w carbonMn 2Nb 2T i stee.l The i n fluence of def or m ation and cooli n g rate on the m icr ostruc 2ture of the stee lwas analyzed by means of optica lm icroscope and SE M .The results sho w that ferrite fracti o n increases

and ba i n ite f raction decreases ,ferrite and its islet i n bainite change graduall y fro m sli g ht band shape into nearly equ iaxed shape ,the islets l o cated a mong f err ite lath i n g evolve gradually i n to so me f errite grain boundary w ith i n creasi n g the stra i n a mount of austen ite ,ferrite fracti o n decreases ,bai n ite fracti o n i n creases ,and t h e granu lar ba i n ite i s rep laced gradually by lath ba i n ite w ith i n creasing the cooli n g rate after ausf or m i n g .K ey w ord s :lo w carbon m i c roalloyed stee;l ausf or m i n g ;bainite 作者简介:李维娟(1966)),女,辽宁锦州人,教授,博士,主要从事金属材料的组织与性能方面的研究,发表论文20篇。联系电话:0412********收稿日期:2004212226

超低碳贝氏体钢是国际上近20年来发展起来的高强度、高韧性、焊接性能优良的新钢系,被国际上称誉为21世纪钢种。这类钢在美国、英国、日本、德国等发达国家的石油天然气管线用钢、工程机械、海洋设施、汽车、桥梁、造船、军舰、压力容器等领域得到了广泛的应用。目前已成为与传统的铁素体2珠光体钢、马氏体淬火回火钢并列的一大新钢类

[1]

。我国贝氏体

钢的研究较为落后,目前仍处于贝氏体相变机理研究和贝氏体钢的开发与推广应用阶段,主要开发研究的

有Mn 2B 系和以Mn 、Si 作为主要合金元素并添加Nb 、V 、T i 、Cu 、B 等微量元素所组成的系列钢

[2,3]

。本文以

低碳Mn 2Nb 2T i 钢为研究对象,研究高温形变热处理时所发生的贝氏体相变及各种贝氏体组织形态的变化,目的是研究变形对低碳微合金钢贝氏体相变的影响,揭示贝氏体相变的规律,以期对生产超低碳贝氏体钢的控轧控冷工艺提供理论指导。

1 试验材料与方法

试验材料为含Nb 、T i 的低碳微合金钢,其主要化学成分(质量分数,%)为0109C ,0128S,i 1142Mn ,

0101P ,01008S ,01035Nb ,01012T i 。热变形试验在G leeb le 21500热模拟机上进行。将试样以25e /s 加热至1200e ,保温3m in ,再以10e /s 冷却至800e ,分别进行应变为014、018、112,应变速率为1s -1

的压缩变形,变形后又分别以水淬至室温,或以1e /s 、5e /s 和10e /s 的速度冷却到350e 后再空冷至室温。

在光学显微镜和扫描电镜上观察分析不同工艺条件下所得到的显微组织。用膨胀法在热模拟机上测定试验钢的Ar 3。根据试验钢在1200e 加热后,以10e /s 冷却的膨胀曲线,得到该钢的Ar 3为640e 。

2 试验结果分析与讨论

211 应变对低碳微合金钢显微组织的影响

将试样加热到1200e ,冷却到800e 后分别进行应变为014、018、112的变形,变形后立即水淬所获得的显微组织如图1;以10e /s 冷却所得到的显微组织如图2。

从图1可以看出,低碳微合金钢在800e 变形后的奥氏体组织都呈现出一定的变形特征,随着应变量的增大,晶粒由等轴状向长条状过渡,晶界变得不平

直。当应变为112时,绝大多数奥氏体晶粒为细长条状,晶界呈锯齿形,但个别处出现近等轴的小晶粒,这

可能是在变形过程中,随着应变的增大,变形储存能增高,

奥氏体发生了动态再结晶的缘故。

图1 低碳微合金钢不同应变下的奥氏体组织

F ig 11 Austen ite m icrostruct ure of lo w carbon m icroa lloyed stee l a t different stra i ns

(a)E =014 (b )E =018 (c)E =11

2

图2 低碳微合金钢在800e 通过不同变形后以10e /s 的速度冷却后的显微组织

F ig 12 M i crostructures of lo w carbon m icroa lloyed stee l cooling a t 10e /s afte r defor m atio n a t 800e i n different stra i ns

(a),(d)E =014 (b),(e)E =018 (c),(f)E =112

从图2显微组织的光学照片和扫描电镜照片看

出,显微组织由板条贝氏体、粒状贝氏体和先共析多边形铁素体组成。随着应变量的增大,先共析铁素体增多,且优先沿变形的奥氏体晶界形成,这说明应变促进奥氏体向铁素体相变。图2a ,d 是应变为014时的显微组织,该组织中的贝氏体主要由板条贝氏体和少量的粒状贝氏体组成。平行排列的铁素体板条与分布在其间的长条状小岛组成板条束分布在奥氏体晶内,板条束很粗大。图2b ,e 是应变为018时的显微组织,该组织中的粒状贝氏体量比图2a ,d 增多,板条贝氏体量减少,且原变形的奥氏体晶粒内具有不同取向的板条束增多,板条束的尺寸减小。当应变增加到112时(图2c ,f),显微组织中的板条贝氏体已经很少,主要

由具有一定方向性的准多边形铁素体和分布在某些铁

素体晶间的小岛组成,且以多种取向分布在变形的奥氏体晶内。

由于在奥氏体未再结晶区的应变量不同,导致该微合金钢在冷却过程中发生贝氏体相变的形态有所改变。这主要是因为对奥氏体施加变形时,不同应变量下的奥氏体具有不同的组织形态,如图1,且其内部的变形储存能不同,导致奥氏体向贝氏体相变的驱动力不同。随着对奥氏体的应变量逐渐加大,奥氏体与贝氏体之间的体积自由能差值增大,能够克服贝氏体相变时更多界面能的增加,因此,在较大应变的奥氏体晶粒内形成了更多的界面,即板条束的方向增多,尺寸减小。另外变形使奥氏体内产生大量位错,位错密度的

改变影响贝氏体相变过程中的扩散,从而影响贝氏体的组织形态

[4]

。随着奥氏体应变量的增加,碳的扩散

系数不断增大,扩散距离变远,因此,贝氏体中的小岛由铁素体板条间的细长条状逐渐向近颗粒状转变,且有些存在于几个铁素体晶粒的交界处,某些铁素体晶粒间没有小岛。

随着奥氏体应变量不断加大,奥氏体向贝氏体相变的开始温度不断提高,且贝氏体形态发生改变,该试验结果与其他作者的研究结果一致

[5~7]

212 变形奥氏体在不同冷却速度下的贝氏体相变

将试样加热到1200e ,在800e 进行应变为018的变形,再分别以1e /s 、5e /s 和10e /s 的速度冷却到350e 再空冷至室温所得到的显微组织如图3所示。

由图3可以看出,冷却速度为1e /s 时,显微组织由大量的先共析铁素体、少量的珠光体和更少量的粒状贝氏体组成。冷却速度提高到5e /s 时,显微组织中的铁素体和珠光体量减少,粒状贝氏体增多。当冷

却速度增加到10e /s 时,显微组织中的铁素体进一步减少,板条贝氏体取代了部分粒状贝氏体,即显微组织由较少量的铁素体、一部分粒状贝氏体和大量的板条贝氏体组成。

由于冷却速度的变化,发生了不同组织类型或同一组织类型而不同组织形态的相变,这说明相变温度不同,相变类型不同或组织形态不同。冷却速度愈小,相变温度愈高,即高温下最易发生铁素体和珠光体相变,稍低温度下发生粒状贝氏体相变,板条贝氏体的相变温度最低。

对于贝氏体相变,其形成有两个基本过程,一个是马氏体型转变,另一个是碳原子的扩散。因为相变温度高低不同,贝氏体相变过程中碳原子的扩散系数不同,从而影响了贝氏体的形核与长大。贝氏体的形成温度愈高,铁素体的横纵向长大速度愈接近,铁素体的片状形态愈不明显,甚至为方块状。贝氏体形成温度愈低,铁素体纵向长大速度愈快,横向长大速度愈小,

片状形态愈明显[8]

图3 低碳微合金钢变形奥氏体经不同速度冷却后的显微组织

F i g 13 M icrostruc t ures of de f or m ed austenite of l o w carbo n m icroall oyed stee l at d ifferent cooli ng ra te

(a),(d )1e /s (b),(e)5e /s (c),(f)10e /s

213 相变温度是影响贝氏体组织形态的主要因素由图1、2结果可知,变形的奥氏体发生相变时,随

着奥氏体变形程度增加,铁素体量增加,贝氏体的组织形态发生了改变,变形程度由小到大,贝氏体由板条状贝氏体向粒状贝氏体过渡,贝氏体中的铁素体由长条状逐渐转变为准多边形,小岛由存在于每对细长条状铁素体晶间到分布于某些铁素体晶界上。图3表明,同样变形程度的奥氏体在发生相变时,随着冷却速度由小到大,铁素体的相变量减少,贝氏体的相变量增加,贝氏体由粒状贝氏体逐渐转变为板条状贝氏体。综合分析可知,影响贝氏体转变或其组织形态的主要因素是相变温度。因为无论是奥氏体的应变状态还是相变前的冷却速度都影响着贝氏体的相变温度,不同温度下碳原子具有不同的扩散能力,因而便形成了不

同形态的贝氏体。可以认为,铁素体相变的温度最高,其次是珠光体相变,贝氏体相变的温度较低。对于贝氏体,相变温度由高到低,贝氏体铁素体由准多边形逐渐变化到细长条状,小岛由存在于某些铁素体晶界上到分布于每对细长条状铁素体晶间。

由文献[9~11]可知,不同组织形态的贝氏体具有不同的力学性能,仿晶界型铁素体/粒状贝氏体具有良好的强韧性,因此在成分一定的情况下,通过对奥氏体的合理形变和以适当的冷却速度冷却,将获得预期的组织形态,从而得到所要求的力学性能。

3结论

(1)微合金试验钢的变形奥氏体以10e/s冷却时,随着对奥氏体的应变量增加,铁素体量逐渐增加,贝氏体量减少,其中贝氏体中的板条贝氏体逐渐减少,粒状贝氏体增多,最后的组织主要由具有一定方向性的准多边形铁素体和分布在某些铁素体晶间的小岛组成。

(2)微合金试验钢的变形奥氏体以不同速度冷却时,随着冷却速度加快,铁素体量减少,贝氏体量增多;其中粒状贝氏体逐渐减少,板条贝氏体增多。

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风2水冷却状态下钢轨横截面上各点相变规律的研究

王权1,李德虹2

(1.包钢钢联公司薄板厂,内蒙古包头014010;2.包钢钢联公司轨梁厂,内蒙古包头014010)

摘要:通过测量风2水双介质冷却钢轨横截面上不同点的温度变化曲线,参照本成分钢轨的连续冷却曲线,研究了强化钢轨的组织、性能及相变规律。结果表明,经风2水冷却后,钢轨的组织和性能优良,各检测点的相变规律相似,所不同的是各点相变发生的时间及温度不同。

关键词:钢轨;风2水双介质;不同位置;相变规律

中图分类号:TG162.82文献标识码:A文章编号:025426051(2005)0620073205

Phase T ransform ation Law of D ifferen t P osition s on C ross2Section of R a ils U nder

W i nd2W a ter Dua l2M ed iu m C ooli ng

WANG Quan1,LI De2hong2

(1.Co mpact Strip Production Plant of Baotou Stee,l Baotou I nnerMongolia014010,Ch i n a;

2.Ra il&Section Plant of Baotou Stee,l Baotou I nnerMongolia014010,Ch i n a)

Abstr act:The te mperature variation curves of d iff erent positi o ns i n the cooled rail c s cr oss2secti o n were measured by co m2 pressed w i n d2water dua l2m ediu m.A ccor d i n g to the con ti n uous cooli n g curves of the strengthened ra ils,the m icr ostruc2 ture,mechan ica l properties and its phase transf or m ati o n la w were studied.The results sho w t h at the m icrostructure and mechanical properties of the ra ils are excellen,t and the phase transf or mation la w of every test position is si m ilar.H o wev2 er,the phase transf or m ation ti m e and the te mpera t u re of every test position are dif feren.t

K ey w ord s:rai;l w i n d2water dual2med i u m;d iff erent positi o n;phase transf or mation la w

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