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    Q245 耐酸鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變分析

    2023-07-01 08:22:28供稿馬廷威王玉紅徐勇武瑞珊張瑞峰
    金屬世界 2023年3期
    關(guān)鍵詞:耐酸貝氏體模擬實驗

    供稿|馬廷威,王玉紅,徐勇,武瑞珊,張瑞峰

    內(nèi)容導(dǎo)讀

    內(nèi)容導(dǎo)讀:通過Gleeble-2000 熱模擬實驗機測定了Q245 耐酸鋼在不同冷卻速度下的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線,采用JMatPro 軟件模擬了連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線,研究了冷卻速度與組織和硬度之間的關(guān)系。結(jié)果表明:Q245 耐酸鋼加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ac1為728.5 °C,珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ac3為892.5 °C,轉(zhuǎn)變的組織主要有鐵素體和貝氏體。當(dāng)冷卻速度小于10 °C/s時冷卻的組織以鐵素體為主,而冷卻速度大于10 °C/s 時冷卻的組織以貝氏體為主;且隨著冷卻速度的升高,Q245 耐酸鋼硬度隨之增加。

    木材中含有大量的水分,在制造家具前必須經(jīng)過干燥,干燥窯是用來對木材進行干燥加工處理的主要裝備。木材在干燥過程中,受熱會排出大量的水分,甲酸、乙酸等低級脂肪酸10 多種弱酸,工作溫度高溫、高濕。目前干燥窯的窯體主要使用鋁材(部分用不銹鋼)但成本較高,市場上的耐酸鋼[1?5]等產(chǎn)品無法適用。Q245 耐酸鋼的研究擬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁合金和不銹鋼,以降低干燥窯生產(chǎn)成本。

    鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線能夠反映材料的組織轉(zhuǎn)變過程、組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以及相關(guān)轉(zhuǎn)變規(guī)律,是制定軋制工藝和研究熱處理工藝的重要參考資料。本文采用Gleeble 熱模擬實驗機測定Q245 耐酸鋼在不同冷速條件下的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線,研究連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中的組織轉(zhuǎn)變和規(guī)律,為Q245 耐酸鋼的軋制工藝制定提供參考。

    試樣制備與實驗方法

    針對Q245 耐酸鋼使用環(huán)境并參考相關(guān)耐酸鋼資料[6?9],設(shè)定其成分為低碳并適當(dāng)添加銅和鉻等元素以提高材料的抗腐蝕性能和力學(xué)性能。冶煉采用真空爐(VIM),鑄錠后,送鍛造廠進行鍛造,鍛造后的材料機械加工成熱模擬試樣,以備熱模擬實驗。實驗用鋼的成分如表1 所示。

    表1 實驗用鋼成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

    為從理論上確定奧氏體化溫度,采用JMatPro軟件模擬實驗鋼凝固過程,得到合金的平衡相圖,如圖1 所示。通過圖1 可知合金奧氏體化開始溫度為708.3 °C,奧氏體化結(jié)束溫度為884.4 °C。設(shè)定后續(xù)奧氏體化溫度為960 °C,保溫5 min。

    圖1 合金的平衡相圖

    在實驗材料上截取?3 mm×80 mm 的試樣,放入Gleeble 2000 熱模擬實驗機,加熱溫度為960 °C,保溫5 min。實驗材料完全奧氏體化后采用不同的冷卻速度冷卻到室溫,冷卻速度分別為35,30,25,20,15,10,5,2 和1 °C/s,冷卻后的試樣經(jīng)過取樣、磨制和拋光后,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精腐蝕劑進行腐蝕,腐蝕后的試樣采用ZEISSAxioPlan2顯微鏡觀察金相。

    實驗結(jié)果與討論

    顯微組織

    圖2為不同冷卻速度的金相組織,組織為白色鐵素體和黑色貝氏體,不同冷卻速度的組織大小差異明顯,隨著冷卻速度的增大,晶粒尺寸變小,尤其是冷卻速度大于25 °C/s 尤為明顯,貝氏體區(qū)域更加分散、細(xì)小。當(dāng)冷卻速度較小時(≤10 °C/s),顯微組織以粗大的等軸鐵素體為主和少量貝氏體,這是因為冷卻速度慢,原子的擴散速度較慢,相對高溫停留時間較長,導(dǎo)致高溫析出的鐵素體較多,且有充足時間長大[10];當(dāng)冷卻速度較大時(≥25 °C/s),顯微組織以貝氏體為主和少量的鐵素體,這是由于冷卻速度的加快,相對高溫停留時間較短,導(dǎo)致高溫析出的鐵素體變少,且有晶粒尺寸較小[11]。當(dāng)冷卻速度在15 °C/s 時,微觀組織為貝氏體、鐵素體。隨著冷卻速度的增大,鐵素體占比逐漸變小,而貝氏體占比增大,且貝氏體尺寸更加細(xì)化。這是由于溫度的降低,原子的熱運動性能降低,導(dǎo)致先共析鐵素體長大困難,降低了其尺寸和占比。

    圖2 不同冷卻速度下試樣金相組織:(a)1 °C/s;(b)2 °C/s;(c)5 °C/s;(d)10 °C/s;(e)15 °C/s;(f)20 °C/s;(g)25 °C/s;(h)30 °C/s;(j)35 °C/s

    實驗鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

    結(jié)合微觀組織和熱模擬實驗數(shù)據(jù),繪制如圖3 的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。從圖3 中可以看出,Q245 耐酸鋼的轉(zhuǎn)變區(qū)分為2 部分:高溫轉(zhuǎn)變區(qū)和中溫轉(zhuǎn)變區(qū),奧氏體(A)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物分別是鐵素體(F)和貝氏體(B)。在較低冷卻速度下,即冷卻速度控制在10 °C/s 以下時,Q245 耐酸鋼獲得的顯微組織為鐵素體組織為主,此階段相變溫度較高;當(dāng)冷卻速度大于10 °C/s,Q245 耐酸鋼顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)闉樨愂象w組織為主,此階段相變溫度較低。考慮Q245 耐酸鋼應(yīng)用在耐酸環(huán)境中,其冷卻速度應(yīng)大于10 °C/s,此時獲得貝氏體,冷卻速度越快,貝氏體占比越大,但當(dāng)冷卻速度大于等于25 °C/s 后,微觀組織變化較小。

    圖3 實驗鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

    圖4為JMatPro 模擬鋼樣的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線,可以看出,合金的相變區(qū)分為鐵素體區(qū)、珠光體區(qū)、貝氏體區(qū)3 個區(qū)域。當(dāng)冷卻速度控制在1 °C/s 以下時,合金會先析出鐵素體、珠光體和貝氏體,當(dāng)冷卻速度控制在1 和10 °C/s 時,隨著冷卻速度的增加,組織從先共析鐵素體+珠光體+貝氏體演變?yōu)閺南裙参鲨F素體+貝氏體。繼續(xù)增加冷卻速度至100 °C/s 時,組織為先共析鐵素體+貝氏體。相變區(qū)域沒有馬氏體的出現(xiàn),這與實驗獲得的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線結(jié)果基本一致。

    圖4 JMatPro 模擬的合金連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

    顯微硬度

    圖5為Q245 耐酸鋼的顯微硬度,隨著冷卻速度的增大,顯微硬度升高。而冷卻速度大于10 °C/s時,硬度上升幅度較?。划?dāng)冷卻速度達(dá)到20 °C/s后,硬度隨冷卻速度增加的趨于穩(wěn)定。這是因為在該范圍內(nèi),組織均為貝氏體+少量鐵素體,且尺寸相當(dāng)。而冷卻速度小于10 °C/s 時,硬度較低,但上升明顯。這是由于在該冷卻速度范圍內(nèi),得到的微觀組織是鐵素體為主,硬度較低,隨著冷卻速度的增加,組織中貝氏體數(shù)量也開始增加,晶粒尺寸減小,促使微觀硬度增加。

    圖5 實驗鋼顯微硬度

    結(jié)論

    (1)Q245 耐酸鋼在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中存在高溫和中溫2 個轉(zhuǎn)變區(qū),高溫區(qū)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物主要是鐵素體兼有少量貝氏體,而中溫區(qū)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物主要是貝氏體兼有少量鐵素體。

    (2) 冷卻速度控制在10 °C/s 以下時,室溫組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是鐵素體+貝氏體,晶粒尺寸較大;冷卻速度大于10 °C/s 時,室溫組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是貝氏體+鐵素體,晶粒尺寸較細(xì)小。

    (3) 隨著冷卻速度的增加,Q245 耐酸鋼硬度升高,當(dāng)冷卻速度達(dá)到10 °C/s 時,硬度增加幅度變小,尤其是大于20 °C/s 時,硬度趨于穩(wěn)定。

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