變形工藝對低碳鋼相變和組織的影響

黃健++劉艷超++李滿++趙科++何群才++金麗

【摘 要】 在Gleeble-1500熱模擬機上，采用不同的變形工藝利用熱膨脹法測定了低碳微合金鋼連續冷卻轉變曲線（CCT曲線），結合組織分析，研究了應變對低碳微合金相變行為的影響規律，為進一步制定其生產工藝提供了理論依據。

【關鍵詞】 熱模擬 低碳微合金鋼 組織 相變

1 引言

微合金鋼是指其合金元素的質量分數小于0.1%的鋼，目前，廣泛使用的微合金化元素主要有鈮、鈦、釩等[1，2]。這種鋼綜合利用了當代金屬物理和材料科學的最新成就，在滿足焊接性要求的同時，強度和韌性也同時得到滿足，其中一個關鍵技術在于控制軋制和控制冷卻工藝（TMCP）的運用，通過控制最終鋼鐵材料的組織構成、組織形貌和晶粒尺寸獲得理想性能[3，4]。因此，研究加工工藝對微合金鋼相變的影響具有非常重要的實際意義。為更好地指導生產，本文研究了不同應變條件下，微合金鋼連續冷卻轉變過程，本文研究結果可以為實際生產提供合理的工藝參數。

2 試樣制備與實驗方法

2.1 試樣制備

本實驗所選用低碳微合金鋼采用100kg中頻感應爐冶煉，經模鑄，鍛造后取樣。其化學成分如表1所示。

2.2 實驗方法與測試技術

本研究采用Gleeble-1500熱模擬實驗機進行單向壓縮連續冷卻實驗，將試樣加熱到1200℃，均熱保溫3min，以20℃/s的冷卻速率冷至900℃后，進行變形20%和不變形2種工藝處理，然后再以0.5～15℃/s不同冷卻速率冷卻到200℃，測定膨脹曲線。

3 實驗結果與討論

3.1 不變形工藝時組織

試樣在不變形情況下，1、3、15℃/s冷卻速率下的組織如圖1所示。隨冷卻速率提高，組織中多邊形鐵素體減少。冷卻速率較低時，先共析鐵素體呈塊狀析出，組織為多邊形鐵素體和貝氏體混合組織，且貝氏體呈板條和粒狀兩種形貌。粒狀貝氏體先于板條狀貝氏體形成，形成溫度較高，粒狀貝氏體形成后，分割了原始奧氏體晶粒，促使后繼的貝氏體轉變局限在小區域內進行，從而得到二者的復合組織。冷速提高到3℃/s時，先共析鐵素體基本消失，組織轉變為貝氏體。隨著冷卻速率的進一步提高，所獲得的貝氏體尺寸逐漸減小。冷卻速率為15℃/s時，因貝氏體相變溫度也較低，相對而言，貝氏體組織差異較大。

3.2 變形20%工藝時組織

變形20%工藝條件下典型金相組織如圖2所示。冷卻速率極低時，奧氏體大部分轉變成多邊形或準多邊形鐵素體，并伴有少量的珠光體，其組織均勻性較差。隨著冷卻速率的提高，組織中珠光體減少。冷卻速率為3℃/s時，組織大部分轉變成貝氏體，局部仍然有少量先共析鐵素體組織。隨冷卻速率進一步提高至15℃/s時，組織為貝氏體，組織各向異性好，且均勻細小。

3.3 不同工藝CCT曲線對比

由圖3可見，在兩種CCT曲線中，相變區域均可以劃分為三個部分：奧氏體區，高溫轉變鐵素體和中溫轉變貝氏體區，相變產物為先共析鐵素體（珠光體）和貝氏體。變形加速了連續冷卻相變，使鐵素體和珠光體轉變曲線左移，鐵素體相變點溫度Ar3有所提高，但變形工藝對貝氏體轉變溫度影響不大。

3.4 結果分析

在低冷卻速率條件下，不變形時組織主要為先共析鐵素體，而變形后則主要為貝氏體和針狀鐵素體，二者的顯微形貌差異較大。當冷卻速率為3℃/s時，不變形工藝條件下組織已經完全轉變為貝氏體，沒有先共析鐵素體存在。但是，變形20%時，3℃/s時依然有少量先共析鐵素體沿著原奧氏體晶界分布，如圖1和圖2所示。

鐵素體轉變為擴散控制型相變，變形增加了畸變能，為相變提供驅動力，更有利于高溫區相變，同時，變形也增加了界面面積，為合金元素的擴散提供有利條件，也為鐵素體轉變提供條件。

4 結語

（1）低碳微合金鋼連續冷卻轉變主要分為鐵素體和貝氏體區，即使冷卻速率增加為15℃/s，依然沒有得到馬氏體組織。（2）變形工藝對鐵素體轉變具有明顯影響，低冷卻速率條件下，增加應變有利于獲得細小的先共析鐵素體，而高冷卻速率下，則有利于獲得組織均勻細小的貝氏體組織。（3）變形工藝的改變對貝氏體轉變溫度區間沒有明顯影響。

參考文獻：

[1]劉宏亮，劉承軍，王云盛，等.稀土對X80管線鋼中鈮元素賦存狀態的影響[J].稀土，2011，32（5）：6-11.

[2]吳開明，張莉芹.低碳微合金鋼中針狀鐵素體的微觀力學性能及其組織穩定性[J].金屬學報，2006，42（1）：19-22.

[3]趙明純，肖福仁.超低碳針狀鐵素體管線鋼的顯微特征及強韌性行為[J].金屬學報，2002，38（3）：283-287.

[4]劉宏亮，劉承軍，姜茂發.稀土對B450NbRE鋼熱模擬組織的影響[J].稀有金屬，2011，35（001）：53-58.endprint

【摘 要】 在Gleeble-1500熱模擬機上，采用不同的變形工藝利用熱膨脹法測定了低碳微合金鋼連續冷卻轉變曲線（CCT曲線），結合組織分析，研究了應變對低碳微合金相變行為的影響規律，為進一步制定其生產工藝提供了理論依據。

【關鍵詞】 熱模擬 低碳微合金鋼 組織 相變

1 引言

微合金鋼是指其合金元素的質量分數小于0.1%的鋼，目前，廣泛使用的微合金化元素主要有鈮、鈦、釩等[1，2]。這種鋼綜合利用了當代金屬物理和材料科學的最新成就，在滿足焊接性要求的同時，強度和韌性也同時得到滿足，其中一個關鍵技術在于控制軋制和控制冷卻工藝（TMCP）的運用，通過控制最終鋼鐵材料的組織構成、組織形貌和晶粒尺寸獲得理想性能[3，4]。因此，研究加工工藝對微合金鋼相變的影響具有非常重要的實際意義。為更好地指導生產，本文研究了不同應變條件下，微合金鋼連續冷卻轉變過程，本文研究結果可以為實際生產提供合理的工藝參數。

2 試樣制備與實驗方法

2.1 試樣制備

本實驗所選用低碳微合金鋼采用100kg中頻感應爐冶煉，經模鑄，鍛造后取樣。其化學成分如表1所示。

2.2 實驗方法與測試技術

本研究采用Gleeble-1500熱模擬實驗機進行單向壓縮連續冷卻實驗，將試樣加熱到1200℃，均熱保溫3min，以20℃/s的冷卻速率冷至900℃后，進行變形20%和不變形2種工藝處理，然后再以0.5～15℃/s不同冷卻速率冷卻到200℃，測定膨脹曲線。

3 實驗結果與討論

3.1 不變形工藝時組織

試樣在不變形情況下，1、3、15℃/s冷卻速率下的組織如圖1所示。隨冷卻速率提高，組織中多邊形鐵素體減少。冷卻速率較低時，先共析鐵素體呈塊狀析出，組織為多邊形鐵素體和貝氏體混合組織，且貝氏體呈板條和粒狀兩種形貌。粒狀貝氏體先于板條狀貝氏體形成，形成溫度較高，粒狀貝氏體形成后，分割了原始奧氏體晶粒，促使后繼的貝氏體轉變局限在小區域內進行，從而得到二者的復合組織。冷速提高到3℃/s時，先共析鐵素體基本消失，組織轉變為貝氏體。隨著冷卻速率的進一步提高，所獲得的貝氏體尺寸逐漸減小。冷卻速率為15℃/s時，因貝氏體相變溫度也較低，相對而言，貝氏體組織差異較大。

3.2 變形20%工藝時組織

變形20%工藝條件下典型金相組織如圖2所示。冷卻速率極低時，奧氏體大部分轉變成多邊形或準多邊形鐵素體，并伴有少量的珠光體，其組織均勻性較差。隨著冷卻速率的提高，組織中珠光體減少。冷卻速率為3℃/s時，組織大部分轉變成貝氏體，局部仍然有少量先共析鐵素體組織。隨冷卻速率進一步提高至15℃/s時，組織為貝氏體，組織各向異性好，且均勻細小。

3.3 不同工藝CCT曲線對比

由圖3可見，在兩種CCT曲線中，相變區域均可以劃分為三個部分：奧氏體區，高溫轉變鐵素體和中溫轉變貝氏體區，相變產物為先共析鐵素體（珠光體）和貝氏體。變形加速了連續冷卻相變，使鐵素體和珠光體轉變曲線左移，鐵素體相變點溫度Ar3有所提高，但變形工藝對貝氏體轉變溫度影響不大。

3.4 結果分析

在低冷卻速率條件下，不變形時組織主要為先共析鐵素體，而變形后則主要為貝氏體和針狀鐵素體，二者的顯微形貌差異較大。當冷卻速率為3℃/s時，不變形工藝條件下組織已經完全轉變為貝氏體，沒有先共析鐵素體存在。但是，變形20%時，3℃/s時依然有少量先共析鐵素體沿著原奧氏體晶界分布，如圖1和圖2所示。

鐵素體轉變為擴散控制型相變，變形增加了畸變能，為相變提供驅動力，更有利于高溫區相變，同時，變形也增加了界面面積，為合金元素的擴散提供有利條件，也為鐵素體轉變提供條件。

4 結語

（1）低碳微合金鋼連續冷卻轉變主要分為鐵素體和貝氏體區，即使冷卻速率增加為15℃/s，依然沒有得到馬氏體組織。（2）變形工藝對鐵素體轉變具有明顯影響，低冷卻速率條件下，增加應變有利于獲得細小的先共析鐵素體，而高冷卻速率下，則有利于獲得組織均勻細小的貝氏體組織。（3）變形工藝的改變對貝氏體轉變溫度區間沒有明顯影響。

參考文獻：

[1]劉宏亮，劉承軍，王云盛，等.稀土對X80管線鋼中鈮元素賦存狀態的影響[J].稀土，2011，32（5）：6-11.

[2]吳開明，張莉芹.低碳微合金鋼中針狀鐵素體的微觀力學性能及其組織穩定性[J].金屬學報，2006，42（1）：19-22.

[3]趙明純，肖福仁.超低碳針狀鐵素體管線鋼的顯微特征及強韌性行為[J].金屬學報，2002，38（3）：283-287.

[4]劉宏亮，劉承軍，姜茂發.稀土對B450NbRE鋼熱模擬組織的影響[J].稀有金屬，2011，35（001）：53-58.endprint

【摘 要】 在Gleeble-1500熱模擬機上，采用不同的變形工藝利用熱膨脹法測定了低碳微合金鋼連續冷卻轉變曲線（CCT曲線），結合組織分析，研究了應變對低碳微合金相變行為的影響規律，為進一步制定其生產工藝提供了理論依據。

【關鍵詞】 熱模擬 低碳微合金鋼 組織 相變

1 引言

微合金鋼是指其合金元素的質量分數小于0.1%的鋼，目前，廣泛使用的微合金化元素主要有鈮、鈦、釩等[1，2]。這種鋼綜合利用了當代金屬物理和材料科學的最新成就，在滿足焊接性要求的同時，強度和韌性也同時得到滿足，其中一個關鍵技術在于控制軋制和控制冷卻工藝（TMCP）的運用，通過控制最終鋼鐵材料的組織構成、組織形貌和晶粒尺寸獲得理想性能[3，4]。因此，研究加工工藝對微合金鋼相變的影響具有非常重要的實際意義。為更好地指導生產，本文研究了不同應變條件下，微合金鋼連續冷卻轉變過程，本文研究結果可以為實際生產提供合理的工藝參數。

2 試樣制備與實驗方法

2.1 試樣制備

本實驗所選用低碳微合金鋼采用100kg中頻感應爐冶煉，經模鑄，鍛造后取樣。其化學成分如表1所示。

2.2 實驗方法與測試技術

本研究采用Gleeble-1500熱模擬實驗機進行單向壓縮連續冷卻實驗，將試樣加熱到1200℃，均熱保溫3min，以20℃/s的冷卻速率冷至900℃后，進行變形20%和不變形2種工藝處理，然后再以0.5～15℃/s不同冷卻速率冷卻到200℃，測定膨脹曲線。

3 實驗結果與討論

3.1 不變形工藝時組織

試樣在不變形情況下，1、3、15℃/s冷卻速率下的組織如圖1所示。隨冷卻速率提高，組織中多邊形鐵素體減少。冷卻速率較低時，先共析鐵素體呈塊狀析出，組織為多邊形鐵素體和貝氏體混合組織，且貝氏體呈板條和粒狀兩種形貌。粒狀貝氏體先于板條狀貝氏體形成，形成溫度較高，粒狀貝氏體形成后，分割了原始奧氏體晶粒，促使后繼的貝氏體轉變局限在小區域內進行，從而得到二者的復合組織。冷速提高到3℃/s時，先共析鐵素體基本消失，組織轉變為貝氏體。隨著冷卻速率的進一步提高，所獲得的貝氏體尺寸逐漸減小。冷卻速率為15℃/s時，因貝氏體相變溫度也較低，相對而言，貝氏體組織差異較大。

3.2 變形20%工藝時組織

變形20%工藝條件下典型金相組織如圖2所示。冷卻速率極低時，奧氏體大部分轉變成多邊形或準多邊形鐵素體，并伴有少量的珠光體，其組織均勻性較差。隨著冷卻速率的提高，組織中珠光體減少。冷卻速率為3℃/s時，組織大部分轉變成貝氏體，局部仍然有少量先共析鐵素體組織。隨冷卻速率進一步提高至15℃/s時，組織為貝氏體，組織各向異性好，且均勻細小。

3.3 不同工藝CCT曲線對比

由圖3可見，在兩種CCT曲線中，相變區域均可以劃分為三個部分：奧氏體區，高溫轉變鐵素體和中溫轉變貝氏體區，相變產物為先共析鐵素體（珠光體）和貝氏體。變形加速了連續冷卻相變，使鐵素體和珠光體轉變曲線左移，鐵素體相變點溫度Ar3有所提高，但變形工藝對貝氏體轉變溫度影響不大。

3.4 結果分析

在低冷卻速率條件下，不變形時組織主要為先共析鐵素體，而變形后則主要為貝氏體和針狀鐵素體，二者的顯微形貌差異較大。當冷卻速率為3℃/s時，不變形工藝條件下組織已經完全轉變為貝氏體，沒有先共析鐵素體存在。但是，變形20%時，3℃/s時依然有少量先共析鐵素體沿著原奧氏體晶界分布，如圖1和圖2所示。

鐵素體轉變為擴散控制型相變，變形增加了畸變能，為相變提供驅動力，更有利于高溫區相變，同時，變形也增加了界面面積，為合金元素的擴散提供有利條件，也為鐵素體轉變提供條件。

4 結語

（1）低碳微合金鋼連續冷卻轉變主要分為鐵素體和貝氏體區，即使冷卻速率增加為15℃/s，依然沒有得到馬氏體組織。（2）變形工藝對鐵素體轉變具有明顯影響，低冷卻速率條件下，增加應變有利于獲得細小的先共析鐵素體，而高冷卻速率下，則有利于獲得組織均勻細小的貝氏體組織。（3）變形工藝的改變對貝氏體轉變溫度區間沒有明顯影響。

參考文獻：

[1]劉宏亮，劉承軍，王云盛，等.稀土對X80管線鋼中鈮元素賦存狀態的影響[J].稀土，2011，32（5）：6-11.

[2]吳開明，張莉芹.低碳微合金鋼中針狀鐵素體的微觀力學性能及其組織穩定性[J].金屬學報，2006，42（1）：19-22.

[3]趙明純，肖福仁.超低碳針狀鐵素體管線鋼的顯微特征及強韌性行為[J].金屬學報，2002，38（3）：283-287.

[4]劉宏亮，劉承軍，姜茂發.稀土對B450NbRE鋼熱模擬組織的影響[J].稀有金屬，2011，35（001）：53-58.endprint