黃素中，陳其偉，朱國輝

(安徽工業(yè)大學冶金工程學院，安徽馬鞍山243002)

定量研究熱軋模型、組織微觀結(jié)構(gòu)和組織性能之間關(guān)系對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低廢品率十分重要。越來越多的組織性能預報系統(tǒng)被應用于鋼鐵冶金生產(chǎn)中，其中，預測奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和轉(zhuǎn)變量(即奧氏體在冷卻過程中組織演變規(guī)律)，并構(gòu)建相變量和時間的關(guān)系模型最為重要。

X80管線鋼在連續(xù)冷卻過程中會出現(xiàn)多邊形鐵素體、針狀鐵素體和貝氏體組織。針狀鐵素體因具有良好的綜合性能，在高級別管線鋼中應用十分廣泛[1]。從微觀結(jié)構(gòu)看，針狀鐵素體是具有高的亞結(jié)構(gòu)和位錯密度的非等軸相，形成溫度高于貝氏體，無原奧氏體晶界網(wǎng)的組織，包含準多邊形鐵素體、粒狀鐵素體、貝氏體鐵素體[2]。關(guān)于X80管線鋼針狀鐵素體組織形態(tài)及轉(zhuǎn)變速度區(qū)間已有較多的研究，并得到了一些有意義的結(jié)果。如文獻[3-5]研究表明，針狀鐵素體形成的速度區(qū)間十分廣泛，冷卻速度大于5℃/s時，就會產(chǎn)生針狀鐵素體；冷速越大，組織也越細。實際管線鋼生產(chǎn)中，采用控軋控冷技術(shù)，軋后冷卻速度遠大于5℃/s。但是對針狀鐵素體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間及構(gòu)建相變動力學模型方面的研究很少。雖然朱利敏等[1]利用熱模擬實驗研究了微合金管線鋼在變形壓縮條件下針狀鐵素體等溫轉(zhuǎn)變行為，并得到管線鋼中針狀鐵素體轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在550℃，組織中有較高密度的位錯和亞結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變具有形核和生長兩階段特征等結(jié)果。但是并未構(gòu)建針狀鐵素體相變動力學模型，且主要是對針狀鐵素體相變進行定性分析。為此，筆者針對無變形的管線鋼進行等溫淬火實驗，定量研究針狀鐵素體轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變溫度和保溫時間的關(guān)系，并構(gòu)建針狀鐵素體轉(zhuǎn)變的數(shù)值模型。

1 實 驗

1.1 實驗材料

為國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的熱軋態(tài)X80高級管線鋼，其成分為(質(zhì)量分數(shù)/%)C 0.038，Mn 1.94，Si 0.237，Mo 0.31，Nb，V，Ti適量。添加適量Mo有利于控軋控冷中抑制珠光體的產(chǎn)生，而促進針狀鐵素體的產(chǎn)生。微合金元素Nb，V，Ti可對組織產(chǎn)生沉淀強化和細晶強化效果，獲得力學性能優(yōu)良的X80管線鋼。

1.2 實驗方法

用線切割將實驗材料切割成Φ10 mm×5 mm的小圓片試樣進行等溫淬火實驗。實驗過程中，將試樣放在TCW-32B可控硅控溫控制廂式電阻爐加熱到奧氏體化溫度后保溫10 min，然后迅速拿出試樣放于鹽浴爐中等溫保溫一段時間，等溫溫度為480，500，520，550℃，等溫時間為5，10，15，20 s，隨后直接鹽冷淬火。對經(jīng)等溫淬火實驗獲得的試樣進行磨制、拋光，且經(jīng)體積分數(shù)為4%的硝酸酒精腐蝕后在金相顯微鏡下觀察其顯微組織。針狀鐵素體形態(tài)復雜，難于直接統(tǒng)計，因此金相分析時用ImagePro-Plus圖形分析軟件計算淬火組織，即后轉(zhuǎn)變的貝氏體體積分數(shù)(包括貝氏體和貝氏體鐵素體)，以間接統(tǒng)計針狀鐵素體體積分數(shù)(包括準多邊形鐵素體和粒狀鐵素體)。

2 相變動力學模型

2.1 針狀鐵素體計算模型

奧氏體連續(xù)冷卻過程中形成的組織相互交錯，研究不同組織的相變過程并確定相變量及相變溫度非常困難，故常用等溫相變動力學來研究其相變過程。完全奧氏體化的X80鋼在鹽浴爐中等溫時，首先發(fā)生針狀鐵素體轉(zhuǎn)變，隨等溫時間延長，鐵素體體積分數(shù)增加。針狀鐵素體相變覆蓋在貝氏體上方，轉(zhuǎn)變機制與貝氏體的半擴散半切變型不同，也與高溫區(qū)域的鐵素體/珠光體的擴散型相變不同[2]。準多邊形鐵素體和粒狀鐵素體都在中溫區(qū)域轉(zhuǎn)變，F(xiàn)e和合金元素仍可以發(fā)生短程擴散，而碳原子還可以進行長程擴散。原子的這種活動特性決定了針狀鐵素體中溫區(qū)域相變類型更加偏向于擴散型，在此應用擴散動力學理論，由Avrami提出的經(jīng)驗方程[6]計算針狀鐵素體體積分數(shù)f，如

對式(1)變形，可以得到

式中：k和n均為參數(shù)；t為等溫時間。從式(2)可以看出，與ln t呈線性關(guān)系，ln k與n分別為直線的截距和斜率。參考文獻[7]，n是與相變類型有關(guān)的常數(shù)，k和相變機制、等溫溫度及等溫轉(zhuǎn)變曲線的形狀有關(guān)，k與等溫溫度θ之間滿足修正的高斯曲線關(guān)系式，如

參數(shù)b，c，d，e與曲線形狀有關(guān)，其中：b為k的最大值；c為曲線鼻點處對應的溫度；d為標準均方差；e與曲線曲率有關(guān)。對式(3)兩邊取對數(shù)，得

從式(4)可以看出，lnk與θ之間滿足e次函數(shù)關(guān)系，根據(jù)文獻[8]，lnk與θ之間基本符合二次函數(shù)的關(guān)系，故取e=2。分析金屬材料顯微組織時，不同的檢測儀器或金相制備方法會導致成像原理略有差別，但得到的顯微組織仍是二維平面圖像。定量金相學是建立在體視學基礎上，根據(jù)GB/T 15749—2008定量金相測定的方法，待測相(或組織)體積分數(shù)VV、待測相(或組織)面積分數(shù)AA、線分數(shù)LL或者點分數(shù)PP的關(guān)系可表示為

綜上，在定量金相計算時，可將體體積分數(shù)的計算轉(zhuǎn)變?yōu)槊骟w積分數(shù)的計算。

2.2 模型參數(shù)的計算

將等溫淬火試樣放在金相顯微鏡觀察，放大200倍，并在中心部位選取不同視野拍照，用ImagePro-Plus圖形分析軟件對其針狀鐵素體體積分數(shù)進行統(tǒng)計，取平均值，結(jié)果見表1。將表中數(shù)值代入式(2)進行直線擬合，得到不同溫度下的n和k，如表2。

表1 不同等溫溫度與等溫時間下X80針狀鐵素體體積分數(shù)(%)Tab.1 Volume fraction of X80 at different temperatures and different times(%)

表2 不同溫度下的參數(shù)n和kTab.2 Coefficient n and k at different temperatures

對于不同等溫溫度，n取平均值為1.147 5。對k進行擬合，得到k與θ之間的關(guān)系式

綜上，得到針狀鐵素體等溫轉(zhuǎn)變動力學公式所有參數(shù)，即n=1.147 5，b=0.239，c=625.239，d=79.243，e=2。

2.3 實驗結(jié)果分析與模型驗證

圖1為X80管線鋼在480，500，520，550℃等溫15 s的組織形貌。

從圖1可以看出，針狀鐵素體主要為粒狀鐵素體(GF)和準多邊形鐵素體(QF)。520℃時，GF內(nèi)部具有較高的位錯密度，基體上粒狀或等軸狀組織呈無序分布；QF是由塊狀轉(zhuǎn)變形成，晶粒邊界極不規(guī)則，呈鋸齒狀，晶內(nèi)具有亞結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖1和表1可知：低于500℃顯微組織主要為貝氏體，針狀鐵素體的量很少，在480℃保溫20 s時的體積分數(shù)在30%左右；當溫度升高到550℃時，轉(zhuǎn)變迅速，組織基本上是針狀鐵素體，保溫20 s時的轉(zhuǎn)變量達接近80%。對比圖1(b)，(c)可知，500℃時針狀鐵素體轉(zhuǎn)變量多于520℃，說明X80的針狀鐵素體轉(zhuǎn)變曲線并不是呈單一的C形狀，而是與貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間重疊，轉(zhuǎn)變溫度略高于貝氏體。

將針狀鐵素體等溫轉(zhuǎn)變動力學模型的計算結(jié)果和實驗結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖2。圖2表明，兩者吻合度較好，模型的擬合精度較高。為推廣模型，在其他溫度下進行等溫實驗驗證，即在540℃等溫5，10，15，20 s，然后鹽水冷卻，同樣用ImagePro-Plus圖形分析軟件測量針狀鐵素體體積分數(shù)，再與所建的等溫動力學模型模擬結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖3。圖3表明，實驗結(jié)果和模擬結(jié)果吻合較好，進一步表明所建的等溫轉(zhuǎn)變動力學模型具有很好的適用性。

選取570，590，610，630，650 ℃ 5個溫度對建立的針狀鐵素體等溫轉(zhuǎn)變動力學數(shù)值模型進行模擬，結(jié)果如圖4。從圖4可以看出，當溫度從570℃升高到630℃時，針狀鐵素體轉(zhuǎn)變速度加快，610，630℃時的轉(zhuǎn)變曲線基本重合，當溫度繼續(xù)升高到650℃時，轉(zhuǎn)變速率反而有所下降。由此可以看出，針狀鐵素體等溫轉(zhuǎn)變最佳溫度區(qū)間在610～630℃之間。

2.4 參數(shù)對模型的影響

由式(1)，(3)知，參數(shù)n，b，c，d，e共同決定了模型計算結(jié)果，但各參數(shù)在影響強弱上存在差異，因此對各參數(shù)的影響權(quán)重進行研究。文中采用正交試驗的方法[9]研究模型中各參數(shù)的影響，選取5因素4水平正交試驗表。影響因子的水平n取0.6，0.8，1.0，1.2四個水平；b的四水平分別為0.4，0.6，0.8，1.0；c的四水平為420，440，460，480；d的四水平分別為40，50，60，70；e的四水平為1.6，1.8，2.0，2.2。試驗指標為針狀鐵素體的相變體積分數(shù)f，正交試驗方案及結(jié)果如表3。

對正交試驗結(jié)果采用極差分析，其中Ki(i=1，2，3，4)為指定因素第i個水平對應指標的算術(shù)平均值。從表3可以看出，參數(shù)極差K大小順序為Kc＞Kd＞Kb＞Kn＞Ke。由此可知，參數(shù)c對動力學模型計算結(jié)果影響最大，其次為參數(shù)b，影響最小的是e，表明2.1節(jié)中將e作為常數(shù)處理是合適的。由此得出，優(yōu)先考慮調(diào)整的參數(shù)是c，其次是b。此外，從同一因子的不同水平來看，影響也各不一樣。對于參數(shù)n和b，對試驗指標結(jié)果的影響都是先增大后減小，而參數(shù)c和d則是逐漸增大，尤其是c，變化十分明顯。

表3 模型正交試驗方案與結(jié)果Tab.3 Model orthogonal experiment scheme and calculation results

3 結(jié) 論

1)根據(jù)擴散相變動力學理論，建立X80管線鋼針狀鐵素體等溫轉(zhuǎn)變動力學數(shù)值模型，并通過實驗計算出模型中的主要參數(shù)。模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比表明，模型擬合精度良好。

2)對等溫動力學模型選取不同溫度進行模擬，結(jié)果表明，針狀鐵素體在570℃以上轉(zhuǎn)變速度迅速，610，630℃時轉(zhuǎn)變速率達到最大，故轉(zhuǎn)變最佳溫度區(qū)間為610～630℃

3)通過正交試驗設計，用極差分析針狀鐵素體等溫轉(zhuǎn)變動力學模型中參數(shù)的影響強弱，參數(shù)c極差最大，對模型的影響最大，其次為b，影響最小的是e。

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