形變溫度對Q235碳素鋼應變誘導相變過程組織變化的影響

吳荷娟

摘 要：在熱模擬單向壓縮條件下，分析了形變溫度對Q235碳素鋼應變誘導相變過程組織變化的影響。結果表明，在大應變下，Q235碳素鋼不存在單純的形變奧氏體狀態，其組織變化規律為奧氏體動態結晶、奧氏體動態結晶和鐵素體誘導析出、鐵素體析出、鐵素體動態結晶。碳素鋼熱加工過程的實質是動態復合轉變。

關鍵詞：形變溫度；Q235碳素鋼；應變誘導相變；奧氏體動態結晶

中圖分類號：TG142.31 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.121

碳素鋼奧氏體再結晶的溫度很低，通過形變能有效地提高鐵素體形成的溫度。這樣就會形成一個溫度范圍，在這個溫度范圍內，碳素鋼奧氏體再結晶會與鐵素體的誘導析出同時出現，并且兩者會相互作用，釋放應變能。因此，掌握奧氏體再結晶與鐵素體誘導析出的相互作用有十分重要的理論意義。下面簡要分析形變溫度對Q235碳素鋼應變誘導相變過程組織變化的影響。

1 實驗方法

在此次實驗中，使用的實驗材料為工業Q235碳素鋼，其主要成分是0.16%的C、0.019%的O、0.023%的S、0.004 5%的N、0.019%的P。采用Gleeble1500熱模擬機進行單向壓縮實驗，當工業Q235碳素鋼發生形變后，淬火固定高溫組織。淬火后，經過觀察發現，出現了一些針狀的鐵素體，而造成這種現象的主要原因是冷速不足。這種現象經常出現在鐵素體量比較低的情況下，在高溫形變下不需要考慮這種現象。在工業Q235碳素鋼加熱的過程中，采用熱膨脹法測得，當其以5 ℃/s的速度加熱時，冷卻點分別為780 ℃和870 ℃。最后通過苦味酸浸蝕顯示奧氏體晶粒的輪廓，采用硝酸酒精浸蝕顯示鐵素體的形態，并采用高倍掃面電鏡觀測鐵素體的形態。

2 實驗結果與分析

2.1 不同組織下的形變組織

當形變溫度超過900 ℃時，直接將試樣加熱到形變溫度；當形變溫度低于900 ℃時，將試樣加熱到900 ℃，然后保溫240 s。保溫結束后，采用不同的冷速將試樣冷卻到變形溫度，如果形變溫度越低，其冷卻速度越快。遇到高溫形變時，組織變化大多是奧氏體動態再結晶，利用苦味酸浸蝕后，可以清楚地看到等軸狀奧氏體。同時，在奧氏體再結晶過程中，可以看到有少量的鐵素體析出，并且在960 ℃、980 ℃形變淬火試樣中，有少量的鐵素體析出，這可能是在淬火過程中形成的。從實驗中可以看出，在940 ℃下，鐵素體存在形變。這說明，在應力作用下，奧氏體轉變為鐵素體的溫度為940 ℃。在900 ℃下加熱，以15 ℃/s的速度將樣品冷卻到760 ℃，如果沒有出現形變，則過冷度大約為65 ℃。在770 ℃下，形變的鐵素體過冷度大約為170 ℃。由此可見，應變比單純的快冷作用大。在高溫形變下，奧氏體動態再結晶會減少奧氏體應變能。因此，在此過程中，找到的鐵素體剛析出溫度要比低溫形成的過冷度低。

隨著形變溫度的降低，鐵素體轉變量逐漸加大。在800 ℃未轉變區域，奧氏體為等軸狀。這說明，奧氏體還在動態結晶，并且鐵素體分布比較均勻，沒有形變特征。奧氏體動態再結晶具有雙重作用：①能使鐵素體分布均勻，避免留下形變痕跡；②能降低鐵素體轉變量和形態變異。在高溫作用下，奧氏體再結晶主要發揮了第一重作用；在低溫作用下，奧氏體再結晶主要發揮第二重作用。在大應變下，鐵素體會出現在很低的溫度下，并且不存在單純的形變奧氏體狀態，這是碳素鋼與合金化鋼的主要區別。

2.2 不同形變量下的組織

通過對比800 ℃和900 ℃下的不同應變量形變淬火組織可以看出，在900 ℃下，能觀測到少量的等軸鐵素體，但是，鐵素體的尺寸比較大。出現這種情況的主要原因是900 ℃奧氏體仍然存在動態再結晶，并且奧氏體動態再結晶改變了鐵素體的尺寸、分布方式和形貌。在鐵素體完全轉變前，在奧氏體內部接近鐵素體的位置存在一些等軸區域。在奧氏體動態再結晶作用下，這些區域的含碳高度比平均高度高，可能存在不均勻應變區。

在800 ℃下，鐵素體的轉變速度要比900 ℃鐵素體轉變溫度快。這說明，應變誘導產生的鐵素體作用釋放的應變能比奧氏體動態再結晶釋放的應變能大。在800 ℃下，應變誘導相變過程的鐵素體尺寸、形狀不會受到奧氏體的影響，并且鐵素體應變量的增加還會加快奧氏體動態再結晶。在其轉變過程中，鐵素體的形態始終保持等軸狀。由此可見，由于奧氏體動態再結晶和鐵素體析出的能力不同，所以，存在不同的組織演變規律。

2.3 形變后不同保溫時間下組織變化情況

在工業生產過程中，由于碳素鋼的軋制需要很多環節，并且由高溫到低溫逐漸完成，所以，需要分析各個環節的組織變化情況。通過分析800 ℃、900 ℃下鐵素體轉變量和組織變化情況可知，隨著時間的延長，鐵素體的相對量在逐漸減少。這說明，鐵素體逐漸轉變成奧氏體，并且在形變開始后就發生了轉變。而出現逆轉變的主要原因是形變誘導出了大量的鐵素體，并且鐵素體處于亞穩定狀態，當奧氏體釋放出應變能后，鐵素體會轉變為奧氏體，但是，鐵素體不可能100%的轉變為奧氏體。在低溫形變下，平衡狀態主要為奧氏體和鐵素體的兩相組織，在等溫120 s后，可以達到預料中的組織。而隨著時間的推移，鐵素體的相對量會逐漸減少，并且不會對組織造成太大的影響。同時，在實驗過程中，并沒有觀測到在應變保溫過程中出現鐵素體先增加后減少的情況。

3 總結

從實驗中可以看出，在大應變下，碳素鋼很難找到單一的形變奧氏體組織，而是以奧氏體和鐵素體兩相組織的形式存在，并且碳素鋼形變的本質是動態復合轉變過程，與合金化鋼有一定的區別。隨著形變溫度的降低，碳素鋼組織變化的主要規律是奧氏體動態結晶、奧氏體動態結晶與鐵素體同時析出、鐵素體析出、鐵素體動態結晶。在高溫形變保溫后，鐵素體會逆向轉為奧氏體，并且轉化速度很快。

參考文獻

[1]楊平，傅云義，崔鳳娥，等.形變溫度對Q235碳素鋼應變誘導相變的影響[J].金屬學報，2001，37（06）：601-607.

[2]趙河山.低碳鋼中形變誘導鐵素體相變過程中的應力—應變曲線研究[J].寶鋼技術，2012（01）：141-142.

〔編輯：白潔〕