奥氏体逆相变工艺对低碳中锰钢组织性能匹配性的影响_马龙腾.pdf

第 卷 第 期上 海 金 属，年 月，作者简介：马龙腾，男，博士，工程师，主要从事金属材料组织与性能研究，：奥氏体逆相变工艺对低碳中锰钢组织性能匹配性的影响马龙腾 马国金 杨永达 黄乐庆 王彦锋（首钢集团有限公司 技术研究院，北京；首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山）【摘要】采用扫描电子显微镜、射线衍射仪、电子背散射衍射和透射电子显微镜研究了低碳中锰钢在不同奥氏体逆相变（，）处理过程中的组织演变以及影响性能的主要机制。结果表明：为避免奥氏体的不均匀长大和粗化，轧制前铸坯加热温度应控制在 及以下。随着 温度的升高，试验钢中逆转变奥氏体（，）含量逐渐增加，屈服强度逐渐下降，冲击韧性先升高后下降，但仍保持在 以上。低温 处理后，含量较少，主要以（，）型短杆状碳化物的形式存在，具有较强的析出强化效果；高温 处理后，富集于 中，少量 长大明显，导致更强的相变诱导塑性效应和塑性提升，但对抑制低温下的裂纹扩展不利。【关键词】奥氏体逆相变，低碳中锰钢，强度，低温韧性，析出相中图分类号：文章编号：（）（，；，）【】（），（），；（），（），；（），（，）；（），第 期马龙腾等：奥氏体逆相变工艺对低碳中锰钢组织性能匹配性的影响 【】，中 锰 钢 以 相 变 诱 导 塑 性（，）为特征，现已广泛应用于汽车与工程机械等领域。迄今关于中锰钢的微合金化、冷轧、卷取和焊接工艺等已有较多研究。近年来，研究人员对中锰钢做了进一步的研究，以提升材料低温韧性为目标，将中锰钢的应用范围拓宽至中厚板领域，但存在强度较低、热处理工艺复杂等问题。因此有必要对中锰钢的热处理工艺进行优化，以实现高品质中厚板的短流程制造，降低生产成本，提高材料的性能匹配。本文通过对低碳中锰钢进行不同温度的轧后逆相变处理，分析了低碳中锰钢的组织演变规律与影响性能匹配的主要机制，对于低碳中锰钢在中厚板领域的推广应用具有重要意义。试验材料与方法试验钢采用真空感应炉冶炼，化学成分如表 所示。将厚度为 的铸坯加热至 进行均匀化处理，保温 ，随后利用中试 轧机热轧至 厚。采用两阶段轧制工艺，粗轧阶段开轧温度 ，中间待温厚度，精轧开轧温度 ，终轧温度 ，轧后直接淬火至 以下。表 试验钢的化学成分（质量分数）（）元素 质量分数 沿钢板轧向切取尺寸为 的圆棒试样，采用 型热膨胀仪测定试验钢的热膨胀曲线，加热与冷却速率均为 ，得到试验钢的相变点温度、分别为、和 。根据相变点温度选择奥氏体逆转变处理温度为、和 。从直接淬火（，）态试样上沿垂直于轧制方向取样，进行 处理，保温 。淬火态与 处理试样分别标记为、。沿垂直于钢板轧向取样，按照 金属材料 拉伸试验 第 部分：室温试验方法进行室温拉伸试验；沿钢板轧向取样，按照 金属材料 夏比 型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法进行 示波夏比冲击试验。试样经机械研磨和抛光后，使用体积分数为 的硝酸酒精溶液腐蚀，然后在 型 扫 描 电 子 显 微 镜（，）下观察和分析显微组织；使用体积分数为 的高氯酸乙醇溶液进行电解抛光，然后分别采用 型 射线衍射仪（，）和电子背散射衍射（，）进行物相分析和逆转变奥氏体定量分析，扫描步长为 。沿试样截面切取厚度为 的薄片，手工打磨至约 后，用体积分数为 的高氯酸乙醇溶液双喷减薄后制成薄膜试样，采用 型透射电子显微镜（，）观察精细结构；制备碳膜复型试样并采用 观察析出相形貌与分布，采用能谱仪（，）进行析出相成分分析。将 的圆柱体试样机械抛光后，置于 型高温激光共聚焦显微镜中加热至 保温 ，观察保温过程中奥氏体形态和尺寸的演变。试验结果与讨论 奥氏体长大行为图 为试验钢在 保温过程中奥氏体形态演变及其平均晶粒尺寸。从图 可知：在 奥氏体晶粒尺寸保持稳定，为 ；温度上升至 ，部分奥氏体晶粒发生一定程度的长大，达 ；温度继续上升至 ，奥氏体明显粗化，平均晶粒尺寸达 。上 海 金 属第 卷加热温度不低于 时部分奥氏体晶粒长大，主要与钢中 在该温度下大量固溶有关。的平衡固溶温度计算公式为：（）（）式中：、是 相在铁基体中的固溶度积公式中的常数，分别为 和；、分别为钢中、元素的质量分数。经计算，试验钢中 的平衡固溶温度为 。以细小弥散的颗粒存在时，可强烈钉扎晶界，有效阻碍奥氏体晶粒长大，但加热温度继续升高达到其固溶温度后，大量固溶于基体，晶界失去第二相钉扎而发生迁移和长大。因此，为避免奥氏体晶粒不均匀长大和粗化，将后续轧前铸坯加热温度定为 。图 试验钢在 （）、（）、（）、（）、（）保温过程中的奥氏体晶粒及其平均尺寸（）（），（），（），（）（）（）显微组织淬火 态（）和 处 理（、）试样的显微组织如图 所示。可以看出，试样组织为板条马氏体。试样组织由块状回火马氏体（，）和少量逆转变奥氏体（）及其在冷却过程中转变的马氏体（）组成，后者呈凹坑状，同时在 内部观察到短棒状和条状的白色析出相。相比 试第 期马龙腾等：奥氏体逆相变工艺对低碳中锰钢组织性能匹配性的影响 样，试样中析出相的尺寸和数量均明显下降；试样中析出相已全部消失，回溶至基体中；随着回火温度的升高，凹坑状 的数量显著增加。图 淬火态和 处理试样的显微组织 淬火态和 处理试样的 图谱如图 所示。可见 试样为单一的 相，和 试样中出现了 相与 相，试样中除了 相图 淬火态和 处理试样的 图谱 与 相外，还发现有 相。其他中锰钢高温 处理后也有 相。采用 全谱拟合法对 数据进行拟合计算逆转变奥氏体含量，得到、和 试样的逆转变奥氏体面积分数分别为 、和 。可见随着 温度的升高，奥氏体含量均上升。不同温度 处理试样组织演变的 分析如图 所示，图中黑线为取向差 的大角度晶界（，），红色颗粒为。可见，和 试样中 主要稀疏分布于大角度界面附近，含量较少，如图（，）所示；而 试样中除了有分布于 附近的大颗粒 外，还有部分分布于板条块内部的小尺寸，如图（）所示。平均尺寸和面积分数的统计结果如图（）所示。可见 温度升高后，未发生明显长大，平均尺寸仅从 增加至 ，但其面积分数显著升高，从 升至。可见采用 与 上 海 金 属第 卷测得的 含量差异较大。这主要是由于 测定步长为 ，尺寸小于 的奥氏体易漏检，且 为亚稳相，在制样过程中部分易转变成马氏体，导致其含量相比 检测的低。图 不同温度 处理试样组织演变的 分析 和 试样中析出相的 形貌如图（，）所示。可见 试样以短杆状析出相为主，还有细小的颗粒状析出相，而 试样仅有颗粒状析出相。分析（图（，）表明，短杆状析出相以、元素为主，为（，）型碳化物，其中 质量分数达 ，颗粒状析出相主要为。力学性能 拉伸性能淬火态和 处理试样的室温拉伸工程应力工程应变曲线如图（）所示。从图（）可知，直接淬火试样的屈服强度与抗拉强度分别达到 和 ，断后伸长率和屈强比分别为 和 。相比于直接淬火试样，处理试样的强度与屈强比明显下降，断后伸长率上升。随着 温度的升高，屈服强度从 降至 ，抗拉强度从 升至，屈强比从 降至，断后伸长率从 升至 。温度较低时，含量较低，在基体和 中的配分程度较有限，主要为富、的 型碳化物，且低温 时位错回复程度有限；温度升高后，含量增加，大量 从基体扩散至 中，使其在 中明显富集，如图 所示。高温 后基体软化程度增大，且没有 型碳化物的析出强化作用，导致屈服强度下降，软相 的增多也导致屈强比下降。淬火态和 处理试样的加工硬化曲线如图（）所示。可见直接淬火试样的加工硬化曲线随真应变的增加单调下降，而 处理试样的加工硬化曲线具有快速下降、保持平稳和缓慢下降 个阶段，分别以、和 标记。此外，随着 温度的升高，与 阶段对应的应变区间逐渐增大。阶段加工硬化率的快速下降主要与回火马氏体 铁素体的屈服和位错滑移导致的应变强化有关。在 阶段，在应力作用下转变为马 氏体，从而发生效应，这种软化效应第 期马龙腾等：奥氏体逆相变工艺对低碳中锰钢组织性能匹配性的影响 图 和 试样中析出相的 形貌及 分析结果 与加工硬化互相抵消，导致 阶段呈现平稳状态。阶段的应变曲线随回火温度的升高而逐渐延长，主要是因为 温度升高导致 含量增加，从而 效应更为强烈，可以在更大应变下与加工硬化互相抑制。阶段，加工硬化率再次下降，主要是由于 效应随着 含量的减少而逐渐减弱，加工硬化在应变过程中再次占主导地位。图 淬火态和 处理试样的室温拉伸试验结果 图 试样的 形貌和线扫描结果及衍射花样标定 上 海 金 属第 卷 冲击性能及断口形貌淬火态和 处理试样的 示波冲击试验结果如图 所示。可以看出，试样的冲击吸收能量较低，仅为 。处理试样的冲击韧性显著提升，、和 试样的 冲击吸收能量分别为、。试样的冲击断口形貌如图 所示。对比发现，试样的冲击断口均为典型的韧窝形貌，和 试样断口均以大而深的韧窝为主，而 试样断口则几乎全部为小型韧窝，因此其冲击韧性略低于 和 试样；试样断口形貌为准解理型，以河流花样为主，且撕裂棱很少，韧性较差。图 淬火态和 处理试样的示波夏比冲击曲线 从图（）可见，直接淬火试样的力在位移达到最高值时扩展的深度仅为 ，随后呈直线下降，为典型的脆性断裂。不同温度 处理试样的裂纹形成功较为接近，为 ，说明裂纹形成所需的能量十分接近。随着 温度的升高，裂纹扩展功呈先增大后减小的趋势，在 时达到峰值 。而在 温度继续升至 时，裂纹形成功仅从 降至 ，而裂纹扩展功从 大幅度降至 。因此相比 和，试样低温韧性的下降主要与裂纹扩展功的大幅度降低有关。一方面，具有 复相组织的钢在低温下承受冲击载荷时，钢中 在裂纹扩展过程中发生了 效应，阻碍裂纹扩展。和 试样中 呈薄膜状或细条状，而 试样中 部分长大，少量呈块状，如图（）中圆圈位置所示。相比薄膜状和片层状，块状 的稳定性更差，点显著升高，导致在 试样中部分稳定性差的 在受冲击载荷之前就发生了马氏体转变，不能起抑制裂纹扩展的作用。另一方面，试样中除有 组织外，还含有 马氏体，马氏体在冲击变形初期就会转变为 马氏体，马氏体由于富 和，其硬度明显高于，且 马氏体的稳定性较低，不能有效抑制裂纹扩展，导致冲击韧性下降。上述因素共同作用导致 试样的 含量比 和 试样更高，在室温拉伸时表现出更强的 效应，而 冲击韧性却较低。第 期马龙腾等：奥氏体逆相变工艺对低碳中锰钢组织性能匹配性的影响 图 淬火态和 处理试样的冲击断口形貌 结论（）试验钢在 加热时奥氏体晶粒细小；以上加热时，奥氏体长大明显，主要与 回溶而失去晶界钉扎作用有关。（）的含量随 温度的升高而明显增加；低温 后出现富 的 型碳化物，高温 时 在 中显著富集。（）随着 温度的升高，试验钢的屈服强度逐渐下降，主要与 碳化物的析出强化作用减弱有关；处理后，冲击韧性与裂纹扩展功下降，主要与 部分长大，不能有效阻碍裂纹扩展有关。参考文献 ，（）：孙荣民 中锰钢的微观组织结构及其耐磨性能研究 昆明：昆明理工大学，李秋寒，郭子峰，郭佳，等 卷取温度和退火工艺对热轧中锰钢组织和力学性能的影响 上海金属，（）：，王云浩，王魏军，岑琼瑛，等 回火对激光焊中锰钢焊接接头组织和力学性能的影响 上海金属，（）：王帅，陈伟健，赵征志，等 临界退火中锰钢的组织性能和变形行为 钢铁，（）：邓杰，宋新莉，孙新军，等 含钛中锰钢淬火配分组织及力学性能 钢铁，（）：，：，：王长军，梁剑雄，刘振宝，等 亚稳奥氏体对低温海工用钢力学性能的影响与机理 金属学报，（）：雍岐龙 钢铁材料中的第二相 北京：冶金工业出版社，罗许，杨财水，康永林，等 析出粒子对钛微合金化高强钢奥氏体晶粒长大的影响 工程科学学报，（）：麻晗，廖舒纶 高碳钢奥氏体晶粒长大的预测 材料工程，（）：上 海 金 属第 卷 刘靖，彭杰，张备，等 管线钢第二相粒子溶解及奥氏体晶粒长大行为 机械工程材料，（）：侯亮 钛微合金钢的组织演变规律和控轧控冷工艺研究 镇江：江苏大学，：，：李琪，罗家明，刘晓岚，等 方法在钢中残余奥氏体定量测定中的应用 物理测试，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：樊松，刘岗，梁小凯，等 回火温度对 微合金化新型超低碳中锰钢的组织和力学性能的影响 材料热处理学报，（）：