低碳微合金贝氏体钢的转变动力学研究
发布时间：2013-04-07 浏览次数：560
于蕾1，2，关小军1，李建文2
（1.山东大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250061；2.济南钢铁集团总公司 中板厂，山东 济南 250101）
摘 要：以低碳微合金贝氏体钢为研究对象，用热膨胀法测定了奥氏体的连续冷却转变曲线，用光学显微镜观察了相变组织，发现相变温度区间较宽，且在1～30℃/s冷速范围内均可得到贝氏体组织，随冷速提高，相变温度降低，组织晶粒细化。
关键词：低碳微合金贝氏体钢；转变动力学；冷却速度；相变
1 前言
低碳微合金贝氏体钢是近20年来发展起来的新钢种，具有良好的强韧性、焊接性能等优点，被广泛应用于制造领域。为获得组织均匀的贝氏体钢，首先要研究变形奥氏体相变的驱动力，其基本方法是测定钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线，这种曲线可以系统地表示出变形工艺参数、轧后冷却制度对相变规律的影响，为进一步的实验研究提供依据。
2 试验部分
2.1 试验材料
试验材料的化学成分见表1。
2.2 试验原理
热膨胀法是测定CCT曲线的一种较为常用的方法。钢是一种具有相变特性的合金，其高温组织（奥氏体）及其转变产物（铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体等）具有不同的热膨胀系数与比容。前者按其由大到小的顺序排列为：奥氏体-铁素体-珠光体-上、下贝氏体-马氏体；后者则相反，依次是马氏体-铁素体-珠光体-奥氏体-碳化物[1]。所以，在钢的组织中，凡发生铁素体溶解，碳化物析出，珠光体转变为奥氏体和马氏体转变为奥氏体的过程将伴随体积的收缩；凡发生铁素体析出、奥氏体分解为珠光体或马氏体的过程将伴随着体积的膨胀。钢试样在加热或冷却时，除了热胀冷缩引起正常体积变化外，还有因相变而引起的异常体积变化，以致在正常膨胀曲线上出现了转折点。根据转折点可得出奥氏体转变时的温度（即奥氏体相变临界点）和所需时间。
2.3 试验设备
主要试验设备：MMS-100热力模拟实验机；DT-1000膨胀仪（Z高加热温度1350℃，膨胀量测量量程±2mm，Z大加热速度200℃/s，Z大冷却速度500℃/s）；OLYMPUS-600型金相显微镜。
2.4 试验方法
将试样以10℃/s的速度加热至1200℃，保温15min。为获得较细小的晶粒，选择在奥氏体未再结晶区实施变形，以5℃/s的速度冷却至850℃后，给予40％的变形，然后分别以1、5、8、10、15、20、25、30℃/s的速度（分别以a、b、c、d、e、f、g、h表示）冷却至室温，记录热膨胀曲线、动态连续冷却转变曲线。实验完成后进行金相组织观察，试验工艺如图1所示。
3 试验结果及分析
图2是根据上述试验条件和步骤绘制的试验钢的动态CCT曲线。
由图2可以看出，在1～30℃/s的冷速范围内均可得到贝氏体组织。当冷速为1℃/s时，贝氏体相变开始温度为680℃，终了温度为450℃；随着冷速的增加，相变开始温度逐渐降低，当冷速为30℃/s时，贝氏体相变开始温度为560℃，相变终了温度为380℃。试验钢种的贝氏体相变温度区间较宽，相变开始与终了的温度区间一般为680～380℃，属中温相变区。
将动态条件下的试样处理后在OLYMPUS-600显微镜下放大500倍进行观察，组织如图3所示。
由动态连续冷却转变组织图中可以看出，冷却速度为1℃/s（a）时，转变得到的显微组织中出现了少量粒状贝氏体，夹杂在准多边形铁素体之间；当冷却速度为5℃/s（b）时，开始出现条状贝氏体，并且贝氏体组织的体积百分比已大于准多边形铁素体组织的体积百分比。随着冷却速度的增加，M/A小岛的体积分数增多，尺寸减小。这是因为冷速越大，贝氏体开始转变温度越低，相变的驱动力越大。奥氏体中碳原子的扩散能力差，因而奥氏体只在短距离内富碳，造成M/A小岛尺寸减小，数量相应增加；当冷速为10℃/s（d）时，组织结构以条状贝氏体为主；在冷速达到20℃/s（f）后，且贝氏体由奥氏体晶界向晶内生长，可以清楚看出原奥氏体晶界；若将方向一致、互相平行的一个贝氏体区域，称为一个板条束的话，可以看出，原奥氏体晶粒内部形成了方向各异的贝氏体板条束，这些板条束将原奥氏体晶粒分成不同的区域，随着冷速的增加，贝氏体板条束的尺寸逐渐减小。
4 结论
4.1 所研究钢种在1～30℃/s比较大的冷速范围内均可得到贝氏体组织，有利于冷却过程的控制。
4.2 在所研究的冷却速度范围内，贝氏体相变处于中温相变区，相变开始与终了的温度区间为680~380℃，冷速越高，相变开始温度越低。
4.3 随着冷速的提高，贝氏体钢的显微组织由粒状贝氏体转变为板条状贝氏体，且板条束越来越细小。
参考文献：
[1] 张红梅，等.低碳贝氏体钢形变奥氏体的连续冷却相变研究[J].金属热处理学报，2000，21（4）：35-40.
来源：《山东冶金》2006年第6期
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