等溫溫度和時(shí)間對(duì)超級(jí)貝氏體鋼Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si相變和組織性能的影響

劉 曼，徐 光，周明星，田俊羽，袁 清

(1.武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)高性能鋼鐵材料及其應(yīng)用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢，430081)

等溫溫度和時(shí)間對(duì)超級(jí)貝氏體鋼Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si相變和組織性能的影響

劉 曼，徐 光，周明星，田俊羽，袁 清

(1.武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)高性能鋼鐵材料及其應(yīng)用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢，430081)

以超級(jí)貝氏體鋼Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si為對(duì)象，通過(guò)熱模擬試驗(yàn)、掃描電鏡、X射線衍射分析和拉伸試驗(yàn)等方法，研究等溫轉(zhuǎn)變溫度和保溫時(shí)間對(duì)試驗(yàn)鋼的貝氏體相變、微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著等溫轉(zhuǎn)變溫度的降低，鋼的顯微組織中貝氏體形貌從顆粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀貝氏體，其強(qiáng)度逐漸提高，但伸長(zhǎng)率和強(qiáng)塑積先增大后減小；隨著保溫時(shí)間的增加，鋼的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，而伸長(zhǎng)率和強(qiáng)塑積逐漸增大，因此可通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)相變時(shí)間來(lái)改善鋼的綜合力學(xué)性能；在350 ℃下保溫90 min時(shí)，試驗(yàn)鋼顯微組織中殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)最大，且具有最大強(qiáng)塑積。

貝氏體鋼；等溫溫度；保溫時(shí)間；相變；殘余奧氏體；顯微組織；力學(xué)性能

近年來(lái)，超級(jí)貝氏體鋼受到業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注。這類鋼中的超細(xì)板條貝氏體具有高強(qiáng)度，板條貝氏體之間的薄膜狀殘余奧氏體(RA)通過(guò)TRIP效應(yīng)，又可以提高鋼的塑性[1-2]，因此，無(wú)碳化物板條貝氏體和一定量的殘余奧氏體組合使得材料具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性能[3-4]。

貝氏體等溫相變溫度和保溫時(shí)間影響貝氏體鋼最終的組織和性能。Guo等[5]分析了在200～300 ℃保溫不同時(shí)間對(duì)貝氏體形貌和顯微組織的影響，結(jié)果顯示，在不同等溫條件下，貝氏體尺寸均能達(dá)到納米級(jí)，且隨著等溫溫度的降低而逐漸減小。Sharma等[6]研究表明，含碳量為0.47%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的貝氏體鋼在350 ℃下保溫30 min時(shí)，其強(qiáng)度可達(dá)1517 MPa、延伸率為12%。Huang等[7]探討了高碳貝氏體鋼ZWZ12(含碳量為1%)等溫?zé)崽幚砉に噮?shù)的優(yōu)化問(wèn)題，結(jié)果表明在200 ℃下保溫6 h時(shí)，試驗(yàn)鋼可獲得強(qiáng)度為1363 MPa、延伸率為13%的良好力學(xué)性能。

本研究以超級(jí)貝氏體鋼Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si為對(duì)象，通過(guò)熱模擬試驗(yàn)、掃描電鏡、X射線衍射分析和拉伸試驗(yàn)等方法，分析等溫轉(zhuǎn)變溫度和保溫時(shí)間對(duì)試驗(yàn)鋼的相變、組織和性能的影響，以期為超級(jí)貝氏體鋼熱處理工藝參數(shù)的設(shè)定提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)鋼Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si在真空感應(yīng)爐中冶煉，然后鑄成80 kg鋼錠，并在四輥軋機(jī)上軋制成12 mm厚的鋼板。

為了定量分析相變溫度和保溫時(shí)間對(duì)貝氏體相變的影響，如圖1所示，將上述圓柱試樣以10 ℃/s的速率加熱到1000 ℃，保溫15 min進(jìn)行奧氏體化，然后以10 ℃/s的速率冷卻到貝氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度，保溫30～90 min，再以25 ℃/s的速率冷卻到室溫。用Nova 400 Nano場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)觀察熱模擬試驗(yàn)后的試樣組織，加速電壓為20 kV。在BRUKER D8 ADVANCE型X射線衍射儀上進(jìn)行XRD分析，以確定試樣中殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)，工作電壓和電流分別為40 kV和40 mA。

為了研究等溫溫度和時(shí)間對(duì)試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響，從原始熱軋鋼板中取140 mm×20 mm×10 mm的鋼塊，在ThermecMaster-Z熱模擬機(jī)上按圖1所示進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，然后在UTM-4503電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率設(shè)為1 mm/min，取4次試驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果。

圖1 熱處理工藝流程

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 等溫溫度對(duì)試驗(yàn)鋼組織和性能的影響

2.1.1 顯微組織

圖2所示為不同等溫相變溫度下保溫90 min試樣的SEM照片。由圖2可以看出，在不同溫度下，貝氏體組織形貌和轉(zhuǎn)變量明顯不同。在400 ℃下等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，試樣的微觀組織主要由粒狀貝氏體和馬氏體/奧氏體(M/A)組成；在350 ℃和300 ℃下等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，試樣組織中只有少量粒狀貝氏體，更多的是板條狀貝氏體；隨著等溫溫度的降低，貝氏體束變得更細(xì)長(zhǎng)，而且貝氏體的轉(zhuǎn)變量也在增加。

根據(jù)試樣的XRD圖譜，使用HighScore Plus軟件精確測(cè)定衍射峰的積分強(qiáng)度。由(200)α、(211)α、(200)γ和(220)γ衍射峰的積分強(qiáng)度可以計(jì)算出殘余奧氏體(RA)的體積分?jǐn)?shù)。對(duì)于300、350、400 ℃等溫轉(zhuǎn)變90 min的試樣，其殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)分別為5.8%、11.3%和9.7%，即隨著等溫溫度的降低，RA的體積分?jǐn)?shù)先增加后減小。這是因?yàn)?，隨著等溫溫度的降低，貝氏體轉(zhuǎn)變量增加，馬氏體轉(zhuǎn)變量降低，貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變的綜合作用決定RA的體積分?jǐn)?shù)。

(a)400 ℃ (b)350 ℃

(c)300 ℃

圖3為不同溫度下保溫90 min試樣的膨脹曲線。保溫期間，試樣顯微組織發(fā)生了從面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)到體心立方(bcc)結(jié)構(gòu)的晶格變化，即從γ-奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?鐵素體相。fcc和bcc的致密度分別為0.74和0.68，導(dǎo)致貝氏體轉(zhuǎn)變后試樣體積增加[8-9]，因此，試樣的膨脹量可以表征其實(shí)際的貝氏體轉(zhuǎn)變量。由圖3可以看出，在400、350、300 ℃下保溫90 min后，試樣的膨脹量分別達(dá)到0.036、0.043、0.052 mm，表明300 ℃時(shí)試樣微觀組織中貝氏體的轉(zhuǎn)變量最多，400 ℃時(shí)貝氏體的轉(zhuǎn)變量最少，這與圖2中的觀察結(jié)果是一致的。

圖3 不同溫度下保溫90 min試樣的膨脹曲線

Fig.3Dilatationcurvesofthesamplestransformedatdifferentisothermaltemperaturesfor90min

貝氏體轉(zhuǎn)變量隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低而增加的原因分析如下：盡管在較低的轉(zhuǎn)變溫度下，碳的擴(kuò)散速率變慢而導(dǎo)致形核速率降低，但此時(shí)的過(guò)冷度大，貝氏體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力較大，與形核相比，長(zhǎng)大過(guò)程在整個(gè)貝氏體相變中起著更重要的作用[8-9]，所以轉(zhuǎn)變溫度越低，貝氏體轉(zhuǎn)變量就越大。這也可以通過(guò)T0曲線來(lái)解釋。T0曲線是指相圖中某一溫度下相同成分奧氏體和鐵素體的吉布斯自由能相等時(shí)各點(diǎn)的連線[10]。當(dāng)貝氏體形成時(shí)，多余的碳立即分配到周圍的奧氏體中，故隨著反應(yīng)的進(jìn)行，未轉(zhuǎn)變奧氏體的碳濃度不斷增加。只有當(dāng)未轉(zhuǎn)變奧氏體的碳濃度低于T0曲線對(duì)應(yīng)的碳濃度時(shí)，貝氏體轉(zhuǎn)變才可以繼續(xù)進(jìn)行，因此貝氏體的最大轉(zhuǎn)變量取決于未轉(zhuǎn)變奧氏體儲(chǔ)存碳的能力。奧氏體儲(chǔ)存碳的能力越大，貝氏體轉(zhuǎn)變量越大[11]。采用MUCG83軟件可計(jì)算得到試驗(yàn)鋼的T0曲線如圖4所示。由圖4可知，未轉(zhuǎn)變奧氏體儲(chǔ)存碳的能力隨著溫度的降低而增加，所以試驗(yàn)鋼在較低的轉(zhuǎn)變溫度下可獲得更多的貝氏體。

根據(jù)圖3中的膨脹曲線，可以得出等溫期間試樣中貝氏體的相對(duì)體積分?jǐn)?shù)(由試樣的瞬時(shí)膨脹量除以最大膨脹量來(lái)表征)，見圖5。由圖5可以看出，保溫時(shí)間相同時(shí)，貝氏體相變速率在400 ℃時(shí)最大，在300 ℃時(shí)最小，即隨著等溫溫度的降低，試樣的貝氏體相變速率逐漸下降。這是因?yàn)楦邷貢r(shí)碳擴(kuò)散更容易，貝氏體的形核速率更快，所以貝氏體相變速率更快[12-13]。此外，由圖5還可以看出，隨著等溫溫度的升高，貝氏體轉(zhuǎn)變完成所消耗的時(shí)間逐漸縮短。

圖4 試驗(yàn)鋼的T0曲線

圖5不同溫度下保溫90 min試樣的貝氏體相對(duì)體積分?jǐn)?shù)

Fig.5Relativevolumefractionsofthesamplestransformedatdifferentisothermaltemperaturesfor90min

2.1.2 力學(xué)性能

圖6給出了在不同轉(zhuǎn)變溫度下保溫90 min試樣的力學(xué)性能。在300 ℃下等溫轉(zhuǎn)變，試樣的抗拉強(qiáng)度為1398 MPa，比在350 ℃和400 ℃下等溫轉(zhuǎn)變?cè)嚇拥目估瓘?qiáng)度分別提高了107 MPa和214 MPa。顯然，隨著等溫溫度的降低，試樣的抗拉強(qiáng)度逐漸增大。然而，當(dāng)?shù)葴販囟戎饾u下降時(shí)，試樣的總伸長(zhǎng)率先增大后減小，350 ℃時(shí)試樣的總伸長(zhǎng)率最大(11.8%)。由圖6(b)可見，在350 ℃下等溫轉(zhuǎn)變?cè)嚇拥膹?qiáng)塑積具有最大值，因此其具有最佳的綜合力學(xué)性能。分析上述現(xiàn)象的原因：一方面，貝氏體的形貌對(duì)鋼的力學(xué)性能有重要影響，如前所述，隨著等溫轉(zhuǎn)變溫度的降低，試樣中貝氏體形貌從粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l貝氏體，而板條狀貝氏體的形成有利于貝氏體強(qiáng)度的增大；另一方面，試樣的力學(xué)性能不僅受貝氏體數(shù)量和形貌的影響，還取決于殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)等其他因素。Jiang等[14]指出，TRIP鋼中殘余奧氏體的穩(wěn)定性和數(shù)量是影響其力學(xué)性能(強(qiáng)度和延展性)的重要因素。Hu等[15]研究表明，貝氏體鋼中殘余奧氏體的數(shù)量越多，其延展性越好。本研究中，在350 ℃下保溫90 min的試樣中殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)最大(11.3%)，所以其具有最大的伸長(zhǎng)率和強(qiáng)塑積。

(a)抗拉強(qiáng)度和總伸長(zhǎng)率 (b)強(qiáng)塑積

圖6不同溫度下保溫90min試樣的力學(xué)性能

Fig.6Mechanicalpropertiesofthesamplestransformedatdifferentisothermaltemperaturesfor90min

2.2 保溫時(shí)間對(duì)試驗(yàn)鋼組織和性能的影響

2.2.1 顯微結(jié)構(gòu)

圖7為在300 ℃下保溫不同時(shí)間試樣的SEM照片。由圖7可以看出，當(dāng)保溫時(shí)間由30 min延長(zhǎng)至60 min時(shí)，試樣中貝氏體數(shù)量明顯增加，保溫時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)至90 min時(shí)，貝氏體數(shù)量持續(xù)增加，但增幅減小。此外，試樣中馬氏體的轉(zhuǎn)變量隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。上述現(xiàn)象與圖5中300 ℃等溫轉(zhuǎn)變?cè)嚇拥呢愂象w相對(duì)體積分?jǐn)?shù)的變化情況是一致的，即前30 min內(nèi)，試樣中貝氏體相急劇增加，30～60 min貝氏體相變減緩，60 min后相變接近完成。

(a)30 min (b)60 min

(c)90 min

2.2.2 力學(xué)性能

圖8所示為300 ℃下保溫不同時(shí)間試樣的力學(xué)性能。由圖8可知，與保溫30 min的試樣相比，保溫60 min和90 min試樣的抗拉強(qiáng)度分別降低了55 MPa和92 MPa。另一方面，當(dāng)保溫時(shí)間從30 min延長(zhǎng)至90 min時(shí)，試樣的總伸長(zhǎng)率從5.9%增至9.2%。這是因?yàn)椋^(guò)冷奧氏體在等溫相變過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，然后在空冷過(guò)程中，未分解的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體[16]，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，貝氏體的轉(zhuǎn)變量增加，馬氏體的轉(zhuǎn)變量減少，因此試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度降低、伸長(zhǎng)率和強(qiáng)塑積增大，這意味著可以通過(guò)延長(zhǎng)保溫時(shí)間來(lái)改善貝氏體鋼的綜合力學(xué)性能。

(a)抗拉強(qiáng)度和總伸長(zhǎng)率 (b)強(qiáng)塑積

圖8在300℃下保溫不同時(shí)間試樣的力學(xué)性能

Fig.8Mechanicalpropertiesofthesamplestransformedat300℃fordifferentlengthsoftime

3 結(jié)論

(1)隨著等溫轉(zhuǎn)變溫度的降低，超級(jí)貝氏體鋼Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si中的貝氏體形貌從粒狀貝氏體變成板條貝氏體，貝氏體轉(zhuǎn)變量逐漸增加，而殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)先上升后下降。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)e-0.40C-2.2Mn-1.5Si鋼中的貝氏體含量逐漸增加，但保溫60 min 后，貝氏體相變接近完成。

(2)Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si鋼的強(qiáng)塑積隨相變溫度的降低先增加后減小，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。在本研究所設(shè)定的熱處理工藝參數(shù)范圍內(nèi)，350 ℃下保溫90 min時(shí)，試驗(yàn)鋼具有最佳的綜合力學(xué)性能。

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Effectsofisothermaltemperatureandholdingtimeonphasetransformation,microstructureandpropertiesofsuperbainiticsteelFe-0.40C-2.2Mn-1.5Si

LiuMan,XuGuang,ZhouMingxing,TianJunyu,YuanQing

(1.State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Advanced Steels, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

The effects of isothermal temperature and holding time on bainitic transformation, microstructure and properties of a super bainitic steel Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si were studied by thermal simulating test, SEM, XRD and tensile tests. The results show that with the decrease of isothermal temperature, microstructure of the steel changes from granular bainite to lath-like bainite, and its strength gradually improves while its elongation and product of strength and elongation (PSE) first increase and then decrease. In addition, with the extension of isothermal holding time, the tensile strength decreases whereas the elongation and PSE increase. So the comprehensive mechanical properties of the bainitic steel can be improved by prolonging the transformation time properly. The steel sample transformed at 350 °C for 90 min has the maximum volume fraction of retained austenite and the optimum PSE.

bainitic steel; isothermal temperature; temperature holding time; phase transformation; retained austenite; microstructure; mechanical property

2017-05-19

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51274154)；湖北省科技創(chuàng)新專項(xiàng)重大項(xiàng)目(2017000011).

劉 曼(1994-)，女，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail:1993326537@qq.com

徐 光(1961-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail:xuguang@wust.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.05.005

TG156.1

A

1674-3644(2017)05-0344-06

[責(zé)任編輯尚晶]