含銅低碳硅錳鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線及顯微組織

陳連生，米振鵬，田亞強(qiáng)，宋進(jìn)英，魏英立，鄭小平，徐靜輝

(華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室， 唐山 063009)

?

含銅低碳硅錳鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線及顯微組織

陳連生，米振鵬，田亞強(qiáng)，宋進(jìn)英，魏英立，鄭小平，徐靜輝

(華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室， 唐山 063009)

摘要：通過Gleeble-3800型熱模擬試驗(yàn)機(jī)測出含銅低碳硅錳鋼在不同冷卻速率(1～150 ℃·s-1)下連續(xù)冷卻的熱膨脹曲線，繪制出該鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線；結(jié)合金相觀察及顯微硬度測試分析了冷卻速率對相變組織及硬度的影響。結(jié)果表明：冷卻速率在1～5 ℃·s-1時(shí)，顯微組織主要為鐵素體+珠光體；當(dāng)冷速為10 ℃·s-1時(shí)組織中出現(xiàn)馬氏體，隨著冷速增大，馬氏體含量增多，珠光體發(fā)生退化并逐漸減少，鐵素體總量減少，其中針狀鐵素體增加而多邊形鐵素體減少并消失；冷卻速率超過120 ℃·s-1后，針狀鐵素體基本消失，顯微組織為馬氏體+少量殘余奧氏體；試驗(yàn)鋼顯微硬度隨冷卻速率的增大而增加。

關(guān)鍵詞：含銅低碳硅錳鋼；CCT曲線；顯微組織

Continuous Cooling Transformation Curves and Microstructures

0引言

鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(Continuous Cooling Trans-formation，CCT)曲線在鋼種合金成分設(shè)計(jì)，制定改善軋制、熱處理工藝方面具有非常重要的作用[1-2]。

Speer等[3-4]提出了一種淬火配分(Q&P)熱處理新工藝，通過淬火配分，碳原子從馬氏體中擴(kuò)散到過冷(未轉(zhuǎn)變)奧氏體中并產(chǎn)生富集，獲得更多穩(wěn)定的殘余奧氏體，使鋼兼具高強(qiáng)度和高韌性，具有優(yōu)良的綜合性能。碳含量越多，配分效果就越顯著。但為保證結(jié)構(gòu)用鋼的性能要求[5]，碳含量通常在0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右，這將影響碳配分效果。有研究[6-7]發(fā)現(xiàn)錳元素在雙相區(qū)的配分作用可對低碳硅錳鋼組織進(jìn)行調(diào)控，得到更多的殘余奧氏體；銅元素也是奧氏體穩(wěn)定元素，可以改變奧氏體相變動(dòng)力學(xué)，在鐵素體和奧氏體兩相間擴(kuò)散[8-10]，同時(shí)還能夠提高鋼的韌性。但目前銅元素在汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼中的應(yīng)用較少，尤其是在采用Q&P工藝的研究報(bào)道中非常少見。在低碳硅錳鋼中添加銅元素，可在錳元素配分的基礎(chǔ)上利用銅元素在雙相區(qū)的配分作用來代替更多碳配分，并降低生產(chǎn)成本，含銅低碳硅錳鋼的CCT曲線是制定其熱處理工藝的基礎(chǔ)。為此，作者以實(shí)驗(yàn)室冶煉的含銅低碳硅錳鋼為研究對象，采用熱模擬試驗(yàn)機(jī)，結(jié)合光學(xué)顯微鏡、顯微硬度計(jì)等來確定含銅低碳硅錳鋼的各個(gè)相變溫度點(diǎn)，研究不同冷速下該鋼的顯微組織演變規(guī)律并繪制出CCT曲線，為優(yōu)化雙相區(qū)銅配分工藝、制定合理的加熱和冷卻工藝奠定基礎(chǔ)。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鋼為0.122C-1.55Mn-0.55Cu鋼，采用雙相區(qū)保溫+Q&P工藝(I&Q&P工藝)熱處理[11-12]，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.122C，1.341 3Si，1.332Mn，0.008 8P，0.009 2S，0.553Cu，0.346Ni，0.45Cr，余Fe。試驗(yàn)材料經(jīng)50 kg真空熔煉爐冶煉后，在高溫箱式加熱爐中升溫至1 200 ℃保溫2 h，取出鍛壓加工成厚度為80 mm的小方坯。利用DK-7716F型數(shù)控線切割機(jī)將試驗(yàn)鋼方坯加工成φ4 mm×10 mm的熱模擬試樣，用金相砂紙逐級打磨至2000#，在Gleeble-3800型熱模擬機(jī)上進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)。試樣以10 ℃·s-1的加熱速率升溫至1 000 ℃并保溫90 s，隨后分別以1，5，10，30，60，80，100，120，150 ℃·s-1的冷卻速率冷卻至室溫，測得各試樣升降溫下的熱膨脹曲線。

將經(jīng)不同冷卻速率冷卻后的試樣沿軸向中部切開，用XQ-2B型金相試樣鑲嵌機(jī)制備金相試樣，砂紙逐級打磨至2000#，在體積分?jǐn)?shù)為3%的硝酸乙醇溶液中腐蝕16～20 s，清洗吹干，采用AXIOVERT-200MA型光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織；利用HVST-1000ZA型顯微硬度計(jì)在室溫下測試樣橫截面硬度，測五點(diǎn)取平均值，載荷294 N，加載時(shí)間10 s。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　不同冷卻速率下的顯微組織

由圖1可知，試驗(yàn)鋼在1 ℃·s-1的冷卻速率下冷卻時(shí)，顯微組織為珠光體(P)和多邊形鐵素體(PF)，珠光體大多沿鐵素體晶界分布；冷卻速率為5 ℃·s-1時(shí)，室溫組織為珠光體、退化珠光體(PD)和多邊形鐵素體。退化珠光體的形成機(jī)制是擴(kuò)散形核機(jī)制，在較高冷速下過冷奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變過程中，碳擴(kuò)散的不充分，在未發(fā)生相變的奧氏體中富集，使其相變溫度降低，而相變驅(qū)動(dòng)力變大，導(dǎo)致滲碳體和鐵素體分別長大，一部分珠光體開始發(fā)生退化[13-14]。隨冷卻速率繼續(xù)增大，過冷度變大，準(zhǔn)多邊形鐵素體(QF)變多，在冷速為10 ℃·s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼組織中開始出現(xiàn)馬氏體(M)，珠光體減少，珠光體退化現(xiàn)象更加明顯。冷卻速率在30～80 ℃·s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼組織為馬氏體和鐵素體，隨著冷卻速率增大，馬氏體體積分?jǐn)?shù)逐漸從10%左右增加到90%以上，鐵素體含量逐漸減少，主要是多邊形鐵素體逐漸減少，而針狀鐵素體(AF)逐漸增多；冷速增加到100 ℃·s-1時(shí)，室溫組織為馬氏體和針狀鐵素體，鐵素體含量進(jìn)一步減少，多邊形鐵素體基本消失；冷卻速率超過120 ℃·s-1后，針狀鐵素體基本消失，顯微組織為馬氏體和少量殘余奧氏體(AR)。

圖1　不同冷卻速率下試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.1　Microstructures of tested steel at different cooling rates

2.2　不同冷速下的顯微硬度

由圖2可知，試驗(yàn)鋼的顯微硬度隨冷卻速率的增加而增大，冷卻速率在1～10 ℃·s-1之間，硬度增加速度最快。結(jié)合圖1可知，當(dāng)冷卻速率在1～5 ℃·s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼顯微組織為鐵素體+珠光體，硬度相對較低；冷卻速率為10 ℃·s-1時(shí)，組織中的珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束，開始形成馬氏體，硬度增加明顯，達(dá)到263 HV；冷卻速率在30～100 ℃·s-1之間，隨著冷速增加，過冷度加大，馬氏體增多，鐵素體減少，試樣顯微硬度增大；當(dāng)冷速在120 ℃·s-1以上時(shí)室溫組織為馬氏體和少量殘余奧氏體，硬度在440 HV左右。

圖2　不同冷速下試驗(yàn)鋼的顯微硬度Fig.2　Microhardness of tested steel at different cooling rates

2.3　CCT曲線

利用在熱模擬機(jī)上不同冷卻速率下測得的熱膨脹曲線，根據(jù)熱膨脹曲線上的拐點(diǎn)利用切線法確定材料的相變點(diǎn)。圖3為冷速30 ℃·s-1時(shí)的熱膨脹曲線，測得加熱時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的開始溫度(Ac1)為749.5 ℃，終了溫度(Ac3)為895.3 ℃，冷卻時(shí)馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度(Ms)為436 ℃。

測得不同冷卻速率下試驗(yàn)鋼的熱膨脹曲線，得到各臨界相變點(diǎn)，并結(jié)合顯微組織和硬度分析確定其相變溫度和顯微組織，如表1所示。

利用不同冷卻速率下的熱膨脹曲線數(shù)據(jù)，結(jié)合表1中測得的各相變點(diǎn)，通過Origin繪圖軟件繪制出試驗(yàn)鋼在不同冷卻速率下的CCT曲線，如圖4所示。圖4中由左向右冷卻速率分別為150,120,100,80,60,30,10,5,1 ℃·s-1,對應(yīng)的硬度分別為446,437,386,369,357,286,263,241,228 HV。由圖4可知，在不同冷速下連續(xù)冷卻時(shí)，試驗(yàn)鋼中過冷奧氏體出現(xiàn)兩種轉(zhuǎn)變：A→F+P和A→M；當(dāng)連續(xù)冷卻速率在1～5 ℃·s-1之間，只出現(xiàn)鐵素體析出及珠光體轉(zhuǎn)變，顯微組織為P+F；當(dāng)達(dá)到10 ℃·s-1時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變已經(jīng)基本結(jié)束，并開始伴有馬氏體生成，顯微組織為F+M；當(dāng)冷卻速率超過100 ℃·s-1時(shí)，只發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，室溫組織為M+AR(少量)。

圖3　冷速為30 ℃·s-1時(shí)試驗(yàn)鋼的熱膨脹曲線Fig.3　Dilatometric curve of tested steel at cooling rate of 30 ℃·s-1:(a) heating process and (b) cooling process

表1　試驗(yàn)鋼不同冷卻速率下的相變溫度及顯微組織Tab.1　Phase transformation temperatures and microstructures of experimental steel at different cooling rates

圖4　試驗(yàn)鋼的CCT曲線Fig.4　CCT curves of experimental steel

3結(jié)論

(1) 結(jié)合顯微組織觀察及顯微硬度分析，利用熱膨脹法測定得到Fe-0.122C-1.55Mn-0.55Cu鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，Ac1為749.5 ℃，Ac3為895.3 ℃，Ms為436 ℃。

(2) 冷卻速率在1～5 ℃·s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼的顯微組織主要為鐵素體+珠光體；當(dāng)冷速為10 ℃·s-1時(shí)，組織中出現(xiàn)馬氏體，隨著冷速增大，馬氏體含量增多，珠光體發(fā)生退化現(xiàn)象并逐漸減少，鐵素體總量減少，但其中針狀鐵素體增加而多邊形鐵素體減少并消失；冷卻速率超過120 ℃·s-1后，針狀鐵素體基本消失，組織為馬氏體+少量殘余奧氏體。

(3) 隨著冷速的增加，鋼中馬氏體含量逐漸增多，試驗(yàn)鋼顯微硬度也逐漸增大。

參考文獻(xiàn):

[1]徐光,王巍,張鑫強(qiáng),等.金屬材料CCT曲線測定及繪制[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.

[2]崔忠圻,劉北興.金屬學(xué)與熱處理原理[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2004.

[3]SPEER J G, MATLOCK D K, DE COOMAN B C, et al. Carbon partitioning into austenite aftermartensite transformation[J]. Acta Materialia, 2003,51(9):2611-2622.

[4]SPEER J G, EDMONDS D V, RIZZO F C, et al. Partitioning of carbon from supersaturated plates of ferrite with application to steel processing and fundamentals of the bainite transformation[J].Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2004,8(3):219-237.

[5]江海濤,唐荻,米振莉.汽車用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的開發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào), 2007,19(8):1-5.

[6]周文浩,謝振家,尚成嘉,等.700 MPa級高強(qiáng)高塑低碳低合金鋼的多相組織調(diào)控及性能[J].金屬學(xué)報(bào), 2015,51(4): 407-416.

[7]任勇強(qiáng),謝振家,張宏偉,等.前軀體組織對C-Si-Mn鋼組織特征及力學(xué)行為的影響[J].金屬學(xué)報(bào), 2013,49(12): 1558-1566.

[8]劉慶東.HSLA鐵素體鋼中Cu析出強(qiáng)化和奧氏體韌化的原子探針層析技術(shù)研究[D].上海：上海大學(xué), 2012.

[9]KIM S J, LEE C G, LEE T H, et al. Effect of Cu, Cr and Ni on mechanical properties of 0.15 wt.% C TRIP-aided cold rolled steels[J]. Scripta Materialia, 2003,48(5):539-544.

[10]向紅亮,范金春,劉東,等.抗菌時(shí)效處理對含Cu雙相不銹鋼組織和性能的影響I.富Cu相的微觀結(jié)構(gòu)及演變規(guī)律[J].金屬學(xué)報(bào), 2012,48(9):1081-1088.

[11]田亞強(qiáng),張宏軍,陳連生,等.低碳高強(qiáng)鋼合金元素配分行為對殘余奧氏體和力學(xué)性能的影響[J].金屬學(xué)報(bào), 2014,50(5):531-539.

[12]陳連生,張健楊,田亞強(qiáng),等.預(yù)先Mn配分處理對Q&P鋼中C配分及殘余奧氏體和力學(xué)性能的影響[J].金屬學(xué)報(bào), 2014,51(5):527-536.

[13]王立軍,蔡慶伍,余偉,等.低碳低合金鋼的連續(xù)冷卻相變組織特征及其形成機(jī)制[J].材料工程, 2010(8):29-33.

[14]蔡恒君,高喆,宋仁伯,等.低碳低合金高強(qiáng)鋼的連續(xù)轉(zhuǎn)變行為及其相變模型[J].材料熱處理學(xué)報(bào), 2015,36(3):214-219.

of Copper Bearing Low-Carbon Si-Mn Steel

CHEN Lian-sheng, MI Zhen-peng, TIAN Ya-qiang, SONG Jin-ying, WEI Ying-li,

ZHENG Xiao-ping, XU Jing-hui

(College of Metallurgy and Energy Resources of North China University of Science and Technology,

Hebei Key Laboratory of Modern Metallurgy Technology, Tangshan 063009, China)

Abstract:The dilatometric curves of the copper bearing low-carbon Si-Mn steel at different cooling rates (1-150 ℃·s-1) were determined by Gleeble-3800 thermal mechanical simulator. And the continuous cooling transformation (CCT) curves of the steel were obtained. The effects of the cooling rates on the microstructure evolution and microhardness were also analyzed with the microstructure observation and hardness measurement. The results show that at the cooling rate between 1-5 ℃·s-1, the microstructure mainly consisted of ferrite and pearlite. The martensite appeared at the cooling rate of 10 ℃·s-1and the content increased with the increase of cooling rate, meanwhile the pearlite degenerated and decreased and the content of ferrite also decreased, among which the acicular ferrite increased and polygonal ferrite decreased then disappeared. The acicular ferrite disappeared and the microstructure consisted of martensite and retained austenite when the cooling rate was higher than 120 ℃·s-1. The microhardness of the steel increased with the cooling rate increase.

Key words:copper bearing low-carbon Si-Mn steel；continuous cooling transformation curve；microstructure

中圖分類號：TG156.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)12-0098-04