趙秋紅,王慶芬,馬到原

(1.長春建筑學(xué)院管理學(xué)院,長春 130607;2.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130012)

0 引 言

貝氏體鋼由于具有良好的成形性、焊接性和強(qiáng)韌性匹配等優(yōu)點(diǎn)而受到廣大科研工作者的關(guān)注,現(xiàn)主要應(yīng)用于工程機(jī)械、汽車和船舶中的耐磨件、汽車軸和傳輸管等方面[1-3]。超細(xì)貝氏體鋼主要包括不含合金元素的C-Mn系鋼和含有鉻、鉬、鋁等合金元素的高碳與中低碳鋼。添加合金元素后超細(xì)貝氏體鋼的生產(chǎn)成本相對(duì)較高,但強(qiáng)韌性和焊接性等綜合性能更加優(yōu)異,其良好強(qiáng)韌性歸因于其基體組織由貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成,而殘余奧氏體含量、存在形式和分布狀態(tài)會(huì)對(duì)鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響[4-5]。目前,超細(xì)貝氏體鋼的研究主要集中在化學(xué)成分、變形溫度、應(yīng)力狀態(tài)和熱處理工藝等對(duì)殘余奧氏體形態(tài)和數(shù)量的影響上,且已證實(shí)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分和工藝優(yōu)化可以得到適當(dāng)含量的殘余奧氏體,避免先共析鐵素體和碳化物等的形成。但是鋼在塑性變形作用下會(huì)產(chǎn)生相變誘導(dǎo)塑性效應(yīng),誘發(fā)殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。如何從預(yù)變形角度來調(diào)控殘余奧氏體形態(tài)和數(shù)量將是值得研究的課題,但目前有關(guān)這方面的研究報(bào)道較少,具體作用機(jī)理尚未明確[6-8]。為此,作者研究了預(yù)變形和奧氏體化溫度對(duì)超細(xì)貝氏體鋼顯微組織和拉伸性能的影響,擬為超細(xì)貝氏體鋼綜合性能的提高及應(yīng)用提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為鞍山鋼鐵集團(tuán)公司生產(chǎn)的Fe-0.9C-1.4Si-1.6Mn-0.8Cr-0.2Mo-0.25Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)鋼錠。在鋼錠上切割出厚度為6 mm 的鋼板,采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測(cè)得其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.92C,1.38Si,1.67Mn,0.81Cr,0.22Mo,0.24Al,余Fe。

采用四輥可逆式冷軋機(jī)對(duì)試驗(yàn)鋼板進(jìn)行4道次冷軋變形處理,加工成厚度為3 mm 的冷軋預(yù)變形鋼板。另外,采用二輥熱軋機(jī)對(duì)試驗(yàn)鋼板進(jìn)行4道次熱軋變形處理,開軋溫度為1 120℃,終軋溫度為890℃,加工成厚度為3 mm 的熱軋預(yù)變形鋼板。將未預(yù)變形試驗(yàn)鋼板、冷軋預(yù)變形鋼板和熱軋預(yù)變形鋼板在950℃進(jìn)行奧氏體化處理,保溫0.5 h,隨后置于鹽浴爐中進(jìn)行300℃×1 h的等溫處理,空冷至室溫。根據(jù)組織和強(qiáng)塑積,確定出較佳的變形工藝,采用該變形工藝對(duì)試驗(yàn)鋼板進(jìn)行預(yù)變形處理,再在不同溫度(850～1 100℃)下進(jìn)行奧氏體化和等溫處理,工藝參數(shù)同前。

采用線切割方法從未預(yù)變形鋼板和軋制預(yù)變形鋼板上截取尺寸為15 mm×15 mm×15 mm 的試樣,用牙托粉鑲嵌,砂輪打磨掉表面加工痕跡后,采用60#～1500#二氧化硅砂紙逐級(jí)打磨,再用金剛石研磨膏拋光,清洗吹干,用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕至表面發(fā)灰,在GX51型光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織;采用Sigma 500型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀形貌。用D8 ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析,采用銅靶,Kα射線,工作電壓為40 k V,工作電流為20 m A,掃描速率為2(°)·min-1,掃描范圍2θ為35°～95°,并用附帶的Jade6.5軟件計(jì)算殘余奧氏體含量(體積分?jǐn)?shù))。

采用線切割方法在鋼板上截取尺寸為110 mm×11 mm×3 mm 的拉伸試樣,標(biāo)距為30 mm,根據(jù)GB/T 228.1—2010,在MTS-810型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),拉伸速度為2 mm·min-1,測(cè)3個(gè)試樣取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 預(yù)變形對(duì)顯微組織和拉伸性能的影響

由圖1可見:經(jīng)奧氏體化和等溫處理后,未預(yù)變形試驗(yàn)鋼的顯微組織由貝氏體鐵素體(BF)、薄膜狀和塊狀殘余奧氏體(RA)組成;冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的顯微組織由細(xì)小的貝氏體鐵素體條束和薄膜狀殘余奧氏體組成;熱軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的顯微組織由粗且長的貝氏體束和塊狀殘余奧氏體組成,塊狀殘余奧氏體尺寸相對(duì)未預(yù)變形試驗(yàn)鋼要小。

圖1 未預(yù)變形以及冷軋和熱軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼經(jīng)奧氏體化和等溫處理后的顯微組織Fig.1 Microstructures of non-pre-deformed(a-b)and cold rolled(c-d)and hot rolled pre-deformed(e-f)test steel after austenitizing and isothermal treatments:(a,c,e)at low magnification and(b,d,f)at high magnification

由圖2可見,經(jīng)奧氏體化和等溫處理后,未預(yù)變形、冷軋預(yù)變形和熱軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的物相都主要由體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體和面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體組成。采用衍射儀法[9]對(duì)衍射峰強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,得到未預(yù)變形、冷軋預(yù)變形和熱軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼中的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)分別為19.01%,11.21%,12.70%?？梢娎滠堫A(yù)變形和熱軋預(yù)變形均可以降低試驗(yàn)鋼中殘余奧氏體含量。這主要是因?yàn)樽冃螘?huì)使試驗(yàn)鋼中產(chǎn)生高密度位錯(cuò),為貝氏體鐵素體形核創(chuàng)造有利條件,從而加速等溫貝氏體轉(zhuǎn)變[10],減少殘余奧氏體含量。

圖2 奧氏體化和等溫處理后未預(yù)變形、冷軋和熱軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的XRD譜Fig.2 XRD patterns of non-pre-deformed and cold rolled and hot rolled pre-deformed test steel after austenitizing and isothermal treatments

由表1可知:經(jīng)奧氏體化和等溫處理后,冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和強(qiáng)塑積分別較未預(yù)變形試驗(yàn)鋼提高了42.6%,134.5%,234.7%;熱軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度較未預(yù)變形試驗(yàn)鋼提高27.9%,但是斷后伸長率和強(qiáng)塑積都小于未預(yù)變形試驗(yàn)鋼。奧氏體化和等溫處理后,冷軋預(yù)變形鋼中的貝氏體鐵素體條束較為細(xì)小,殘余奧氏體含量較少且多為薄膜狀, 因此其抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率都有所提高[11];熱軋預(yù)變形鋼中的貝氏體束粗且長,殘余奧氏體多呈塊狀,因此抗拉強(qiáng)度升高而塑性降低。綜上可知,冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的組織更加細(xì)小,且強(qiáng)塑積最大,故后文以冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼作為研究對(duì)象,研究奧氏體化溫度的影響。

表1 奧氏體化和等溫處理后未預(yù)變形、熱軋和冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的室溫拉伸性能Table 1 Room temperature tensile properties of non-predeformed and hot rolled and cold rolled pre-deformed test steel after austenitizing and isothermal treatments

2.2 奧氏體化溫度對(duì)顯微組織與拉伸性能的影響

由圖3可知:當(dāng)奧氏體化溫度在850～1 050℃時(shí),冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的組織為貝氏體鐵素體、薄膜狀/塊狀殘余奧氏體和少量馬氏體;當(dāng)奧氏體化溫度升高至1 100℃時(shí),除貝氏體鐵素體和殘余奧氏體外,還出現(xiàn)少量沿粗大原奧氏體晶界生長的片狀魏氏體鐵素體(WF);此外,當(dāng)奧氏體化溫度為950℃時(shí),貝氏體鐵素體的尺寸相對(duì)較小,薄膜狀殘余奧氏體的尺寸相對(duì)較大,而當(dāng)奧氏體化溫度為1 100℃時(shí),貝氏體鐵素體的尺寸相對(duì)較大,薄膜狀殘余奧氏體的尺寸相對(duì)較小。

圖3 不同溫度奧氏體化和等溫處理后冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of cold rolled pre-deformed test steel after austenitizing at different temperatures and isothermal treatments

由圖4可知,冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的平均晶粒尺寸隨奧氏體化溫度的升高而增大,這可能與鋼中第二相粒子溶解造成對(duì)奧氏體晶粒粗化的抑制作用減弱有關(guān)[12]。

圖4 不同溫度奧氏體化和等溫處理后冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的平均晶粒尺寸Fig.4 Average grain size of cold rolled pre-deformed test steel after austenitizing at different temperatures and isothermaltreatments

由圖5可見,不同溫度奧氏體化和等溫處理后,冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的物相組成相同,均主要為奧氏體和鐵素體。計(jì)算得到當(dāng)奧氏體化溫度分別為850,900,950,1 000,1 050,1 100℃時(shí),試驗(yàn)鋼中殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)分別約為12.9%,11.8%,12.2%,11.6%,12.6%,5.4%?？梢?50～1 050℃溫度范圍的奧氏體化處理對(duì)試驗(yàn)鋼中殘余奧氏體含量影響不大, 但是當(dāng)奧氏體化溫度升高至1 100℃時(shí),殘余奧氏體含量明顯減少。這主要是因?yàn)榻?jīng)1 100℃奧氏體化后,試驗(yàn)鋼中形成了粗大的殘余奧氏體和片狀魏氏體鐵素體,粗大奧氏體晶粒會(huì)加速貝氏體束長大并在一定程度上會(huì)提升貝氏體轉(zhuǎn)變量[13]。

圖5 不同溫度奧氏體化和等溫處理后冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的XRD譜Fig.5 XRD patterns of cold rolled pre-deformed test steel after austenitizing at different temperatures and isothermal treatments

由圖6可知,隨著奧氏體化溫度升高,冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率整體呈現(xiàn)先略微增大后減小的趨勢(shì),且均在奧氏體化溫度為950℃時(shí)達(dá)到最大,強(qiáng)塑積達(dá)到31.63 GPa·%。這主要是因?yàn)楫?dāng)奧氏體化溫度在950℃時(shí),試驗(yàn)鋼中的奧氏體晶粒和貝氏體鐵素體尺寸較小,同時(shí)在拉伸時(shí)產(chǎn)生了殘余奧氏體相變誘導(dǎo)塑性效應(yīng)[14]。在850～900℃奧氏體化并等溫處理后,試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率高于在1 000～1 100℃奧氏體化并等溫處理后,這是因?yàn)樵谳^低奧氏體化溫度下,試驗(yàn)鋼的奧氏體晶粒和貝氏體鐵素體尺寸較為細(xì)小且殘余奧氏體含量較高[15];此外,當(dāng)奧氏體化溫度升高到1 100℃時(shí)形成的粗大魏氏體鐵素體會(huì)進(jìn)一步降低試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和塑性[16]。

圖6 不同溫度奧氏體化和等溫處理后冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的室溫拉伸性能Fig.6 Room temperature tensile properties of cold rolled predeformed test steel after austenitizing at different temperatures and isothermal treatments

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)950℃奧氏體化和300℃等溫處理后,未預(yù)變形試驗(yàn)鋼的顯微組織由貝氏體鐵素體、薄膜狀和塊狀殘余奧氏體組成,冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼由細(xì)小的貝氏體鐵素體條束和薄膜狀殘余奧氏體組成,熱軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼則由粗大的貝氏體束與塊狀殘余奧氏體組成,塊狀殘余奧氏體尺寸小于未預(yù)變形試驗(yàn)鋼;預(yù)變形處理可降低試驗(yàn)鋼組織中殘余奧氏體含量。

(2) 經(jīng)850～1 050℃奧氏體化和300℃等溫處理后,冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的組織均由貝氏體鐵素體、薄膜狀/塊狀殘余奧氏體和少量馬氏體組成,殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)在11.6%～12.9%,變化不大,但當(dāng)奧氏體化溫度升高至1 100℃時(shí),殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)降低至5.4%,并且組織中還出現(xiàn)少量片狀魏氏體鐵素體;冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的平均晶粒尺寸隨奧氏體化溫度升高而增大。

(3) 經(jīng)950℃奧氏體化和300℃等溫處理后,冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和強(qiáng)塑積分別較未預(yù)變形試驗(yàn)鋼提高42.6%,134.5%,234.7%,熱軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度較未預(yù)變形試驗(yàn)鋼提高,但是斷后伸長率和強(qiáng)塑積都減小;隨奧氏體化溫度的升高,冷軋預(yù)變形試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均先略微增大后減小,當(dāng)奧氏體化溫度為950℃時(shí)均達(dá)到最大。