锰对贝氏体钢中残余奥氏体回火稳定性的影响_张绍龙.pdf

第 卷 第期 年月钢铁 ，：锰对贝氏体钢中残余奥氏体回火稳定性的影响张绍龙，周雯，胡锋，吴开明，潘先明（武汉科技大学高性能钢铁材料及其应用省部共建协同创新中心，湖北 武汉 ；武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室，湖北 武汉 ；材谷金带（佛山）金属复合材料有限公司，广东 佛山 ；大冶特殊钢有限公司高品质特殊钢湖北省重点实验室，湖北 黄石 ）摘要：为探索锰含量的变化（锰质量分数为（钢）和（钢）对无碳化物贝氏体钢中残余奥氏体（）回火稳定性的影响，利用扫描电镜（）、电子背散射衍射（）及透射电镜（）等试验方法对残余奥氏体稳定性和力学性能的变化规律进行研究。结果表明，钢的热轧态组织主要是由粒状贝氏体（）板条贝氏体（）组成，而 钢的热轧态组织主要以板条贝氏体为主，且 钢中残余奥氏体含量较高，屈服强度和抗拉强度均优于 钢。在经过 回火后，残余奥氏体体积分数逐渐下降至完全分解，屈服强度和抗拉强度均表现为先升高后降低，但伸长率逐步增加。回火性能最佳，原因主要是由于残余奥氏体在 回火中，块状残余奥氏体分解为过饱和马氏体贝氏体，碳从过饱和马氏体贝氏体中扩散至邻近残余奥氏体中使其含量增加，热稳定性得到提高，在拉伸的过程中产生了 效应，从而使试验钢的强塑性得到提升。钢的性能明显优于 钢，因为锰可以与碳产生协同作用共同促进奥氏体的稳定，提高伸长率，另外锰含量的增加使碳当量也提高，强度增强。基于修正模型对两试验钢在拉伸过程中的加工硬化行为进行表征，发现 钢的应变硬化指数始终大于 钢的应变硬化指数，且试验钢均表现个阶段的应变硬化特性。关键词：贝氏体钢；残余奥氏体；回火；力学性能；修正模型文献标志码：文章编号：（），（，；，；（），；，）基金项目：国家自然科学基金资助项目（，）；湖北省双创战略团队资助项目；省高新技术重大资助项目（）；泰山产业领军人才工程专项经费资助项目；高等学校学科创新引智计划资助项目（计划）（）；武汉科技大学国防预研基金资助项目（）作者简介：张绍龙（），男，硕士生；：；收稿日期：通讯作者：周雯（），女，博士，讲师；：（）（），（），（）（）（）（），钢铁第 卷 ，：；贝氏体钢因具 有 高强 度及 良 好 的 塑 性 等 优点一直备受材料工作者的关注。早在 年，等开发了 系空冷贝氏体钢，但由于钼价格昂贵，贝氏体起始转变温度高使产品强塑性差，其发展受到限制。世纪 年代初，方鸿生等开发了以锰代替钼的 系空冷贝氏体钢，锰的价格相对便宜，且可以细化贝氏体尺寸提高强塑性，因此在工程机械、车船制造等领域得到了广泛应用。世纪初，等提出了由超细结构贝氏体铁素体板条富碳残余奥氏体组织组成的超级贝氏体钢（无碳化物贝氏体钢），其抗拉强度为 （甚至高达 ），伸长率为 ，是目前顶级强度且具有良好塑性的贝氏体钢种。康沫狂等也在 系贝氏体钢的基础上，建立了以贝氏体铁素体残余奥氏体为基础的 系准无碳化物贝氏体钢，其抗拉强度大于 ，具有良好的强塑性。无碳化物贝氏体钢因其优异的综合力学性能，在多个领域得到了应用 。回火处理是提高贝氏体钢综合力学性能的有效手段，轧后回火热处理可以释放贝氏体钢中的残余应力、稳定相，获得良好的力学性能 。在早期的研究中发现，无碳化物贝氏体钢回火时，组织中的残余奥氏体会发生分解并伴随碳化物的析出导致韧性下降。等 研究表明，贝氏体钢在回火过程中析出的碳化物虽然会使韧性有所下降但它显著提高了贝氏体钢的强度。等 的研究表明，贝氏体钢在 回火时，试验钢的强度和韧性达到了最佳平衡；而在 回火时，贝氏体铁素体板条粗化，残余奥氏体大量分解并伴有 碳 化 物 析 出，钢 的 韧 性 急 剧 下 降。此 外，等 指出，贝氏体中的高碳含量使得残余奥氏体在回火后具有较高的稳定性，有利于获得优良的强韧性结合。因此可以预测，贝氏体钢在回火后残余奥氏体的稳定性直接影响贝氏体钢的综合力学性能。残余奥氏体的稳定性与众多因素有关，但回火温度和合金元素对残余奥氏体稳定性起到了显著而重要的作用。锰元素在无碳化物贝氏体钢中是不可或缺的，但关于回火过程中锰对无碳化物贝氏体钢中残余奥氏体回火稳定性及其力学性能研究较少。本文设计了新型 系空冷无碳化物贝氏体钢，研究合金元素锰对钢中残余奥氏体回火稳定性及其力学性能的影响。试验材料和方法采用真空感应炉熔炼、浇注 的钢坯，最终锻造为 实长的钢坯，其化学成分见表。熔 炼 完 成 的 钢 坯 需 要 将 温 度 升 高 到 ，温度稳定后保温，此过程是为了对钢坯进 行 均 匀 化 处 理。热 轧 时 开 轧 温 度（）为 ，从 厚度开始轧制，采用少道次、大压下量轧制到，轧制完成时温度（）控制在 ，轧后层流冷却，冷却速度为 ，冷却至 后空冷至室温，得到热轧板材。表试验钢的化学成分（质量分数）试验钢 采用 热模拟试验机测定试验钢的相变点，样品尺寸为 的圆柱，加热温度为 ，冷却速度为 。垂直于轧制方向取 样品分别放在 和 的箱式炉中进行回火试验，停留时间分别为 和 ，随后空冷至室温。标准拉伸试样参照第期张绍龙，等：锰对贝氏体钢中残余奥氏体回火稳定性的影响 金属材料室温拉伸试验方法 标准加工，然后在万能材料试验机上进行拉伸试验。截取横截面为 块状样品进行镶嵌，采用砂纸研磨至 号后进行机械抛光，然后用体积分数为的硝酸酒精溶液腐蚀。制备好的样品在光学显微镜（，）、扫描电镜（，）观察。利用上述样品先进行机械抛光，再进行电解抛光制得电子背散射衍射（）的样品，然后在电子背散射衍射（）下进行观察。截取 厚的薄样，研磨至厚度为，随后在 型电解双喷仪上 进 行 减 薄，使 用 型 的 透 射 电 镜（）观察其微观组织结构。使用 带 有 辐 射 源 的 射 线 衍 射 仪（，）对样品进行连续扫描，测量残余奥氏体的体积分数和残余奥氏体中平均碳质量分数，其中步长为 ，扫描速度为 。样品在测试前要使用砂纸磨至 号，然后使用电解抛光去除表面应力。根据 测试结果用式（）和式（）计算残余奥氏体的体积分数和残余奥氏体中平均碳质量分数 。残余奥氏体的体积分数（）计算见式（）。（）（）（）式中：和分 别 为（）、（）、（）和（）以及（）、（）、（）和（）的平均积分强度。残余奥氏体中平均碳质量分数（）计算见式（）。（）（）（）式中：为残余奥氏体晶面的晶格常数。试验结果与分析 锰含量对回火前后显微组织的影响图图所示分别为试验钢回火前后显微组织的 和 照片。可以看出，两试验钢热轧态组织均包含两种形态的残余奥氏体：薄膜状残余奥氏体（）和块状马氏体奥氏体（）组织，然而 两 试验 钢 热 轧 态组织也有一定的差异，钢热轧态组织主要由粒状贝氏体（）板条贝氏体（）组成，而 钢大多以板条贝氏体（）存在。在经过 回火后，钢晶内粒状贝氏体减少，块状奥氏体有所分解并伴随有碳化物析出，晶内板条贝氏体仍以板条的形状存在，钢回火后贝氏体组织整体形貌变化不大，块状马氏体奥氏体岛有所减少，并发现有少量碳化物析出。钢经过 回火后由于贝氏体回复和分解，其晶界及组织特征不明显，界面模糊组织粗化，而且残余奥氏体大量分解，碳化物弥散析出，部分碳化物球化。钢在经过 回火后其组织晶界仍然较清晰，但贝氏体马氏体束特征开始不明显，部分板条合并，残余奥氏体也大量分解，但碳化物析出尺寸及数量均小于 钢。原始奥氏体晶界。（）钢，热轧；（）钢，回火；（）钢，回火；（）钢，热轧；（）钢，回火；（）钢，回火。图试验钢的 图像 钢铁第 卷（）钢，热轧；（）钢，回火；（）钢，回火；（）钢，热轧；（）钢，回火；（）钢，回火。图试验钢的 图像 （）钢，回火；（）钢，回火；（）钢，回火。图试验钢的明场像（）、暗场像（）及选取电子衍射（）（）（）（）第期张绍龙，等：锰对贝氏体钢中残余奥氏体回火稳定性的影响图所示为试验钢经不同温度回火后的明场像、暗场 像及 花 样。可 以 看 出，两 组 试 验钢经 回火后均有少量的碳化物析出，残余奥氏体存在于板条间 且 碳化 物 与奥氏 体之 间存在一定的取向关系，取向关系分别为 ；（）（）和 ；（）（）。经 回 火 后 残 余 奥 氏 体大量分解，碳化物弥散析出，局部碳化物球化，并伴有马氏体生成（图（）。这主要是由于该过程中更多的碳以碳化物的形式存在，导致残余奥氏体中的碳含量减少，稳定性降低，最终转变为马氏体。图所示为试验钢经不同温度回火后的 取向成像，统计结果见表。可以看出与热轧态相比，经过 回火，两组钢 取向成像图组织组织变化不大，经过 回火 钢组织板条明显合并粗化。钢粗化程度不大，由表的平均晶粒尺寸数据统计可以看出，钢组织明显细小于 钢，且经过 回火可以细化贝氏体板条。这表明 钢相较于 钢由于锰含量的增加，贝氏体组织得到了细化，且回火处理可以消除内应力，分解部分大块状马氏体。（）钢，热轧；（）钢，回火；（）钢，回火；（）钢，热轧；（）钢，回火；（）钢，回火。图试验钢反极（）图 表 相关数据的统计结果 样品小角度晶界（）大角度晶界（）平均晶粒尺寸值（）热轧 回火 回火 热轧 回火 回火 图所示为试验钢经不同工艺处理后的大小角度晶界图，表对其比例进行了统计。可以看出，两试验钢中 钢的小角度晶界占比明显较多，在经过 回火后小角度晶界占比最多，其原因为部分块状马氏体奥氏体（）分解，而薄膜状残余奥氏体稳定性强分解不多，导致小角度晶界比例增多。经过 回火小角度晶界比例减少，一方面是因为回火温度升高导致位错密度降低，且回复作用会使板条或亚晶间的取向差增大，同时回火使板条边界逐渐模糊并消失也会导致小角度板条晶界减少；另一方面，组织发生再结晶也会使得亚晶界两边取向差增大 。钢铁第 卷（）钢，热轧；（）钢，回火；（）钢，回火；（）钢，热轧；（）钢，回火；（）钢，回火。图试验钢大小角度晶界 图所示为试验钢 不 同工 艺的图 及值分布，其中图中从表示局部取（）钢，热轧；（）钢，回火；（）钢，回火；（）钢，热轧；（）钢，回火；（）钢，回火；（）（）值分布。图试验钢不同工艺的 图及 值分布 第期张绍龙，等：锰对贝氏体钢中残余奥氏体回火稳定性的影响向差（）从小到大，可以看出局部取向差较大的地方主要发生在晶界附近，少数发生在晶粒内部，且 回火分布均匀且更加规则。表统计了试验钢不同工艺 值。可以看出，当回火温度为 时 值最低，当回火温度增加到 时 值又有所升高，其主要原因是 回火过程中块状残余奥氏体分解，贝氏体组织大多以细小板条的形式存在，平均晶粒尺寸减小（表），且 回火释放了组织中的部分内应力，导致 值降低；当回火温度达到 时，由于回火温度较高，板条合并、粗大，碳化物析出，值增加。图所示为试验钢的 衍射峰的结果，图所示为对（）的放大图以及其衍射峰的高斯拟合，表为通过计算式（）和式（）对钢中残余奥氏体的体积分数和碳含量进行计算统计。众所周知，薄膜状残余奥氏体和块状残余奥氏体（）含有不同的碳含量，因此残余奥氏体的峰会呈现不对称特征。如图（）所示，热轧态的（）峰在低角度附近的斜率有明显突变（图中椭圆处），其中图中椭圆内的低角度峰为块状残余奥氏体，高角度峰为薄膜状残余奥氏体，通过使用高斯拟合可以得出块状残余奥氏体和薄膜状残余奥氏体的衍射峰（如图（）、（）。图（）当回火温度为 时，（）衍射峰在低角度附近的斜率没有突变现象，有较好的对称关系，无法拟合出个峰。可以确定试验钢在 回火过程中分解的大多为块状残余奥氏体。从表可以看出，钢相较于 钢中的残余奥氏体的体积分数有所增加，说明锰对残余奥氏体起到了稳定作用。在经过 回火后，钢中残余奥氏体的含量小幅度降低，回火温度增加至 时，残余奥氏体的含量大幅度降低。这是因为 回火过程中块状残余奥氏体分解，薄膜状残余奥氏体稳定性高、分解较少，且锰和碳产生相互作用在薄膜状残余奥氏体中富集，增加薄膜状残余奥氏体稳定性。当回火温度提高到 时，块状残余奥氏体和薄膜状残余奥氏体均分解，并伴有碳化物析出，残余奥氏体的体积分数和碳含量均显著降低。等 提出了残余奥氏体的稳定性指标，其值越大代表稳定性越强，根据表可知，钢在 回火时其残余奥氏体稳定指标最高，说明 钢在 回火时钢中的残余奥氏体稳定性最佳。图两试验钢的 曲线 表测量残余奥氏体体