低溫貝氏體鋼的實驗室研究

劉 超

(山鋼股份萊蕪分公司)

低溫貝氏體鋼的實驗室研究

劉 超

(山鋼股份萊蕪分公司)

對低溫貝氏體鋼開展實驗室研究，采用C、Si、Mn的成份設計，成本較低，熱處理后，低溫貝氏體鋼的組織為超細貝氏體、殘余奧氏體、馬氏體的混合組織，抗拉強度約1 500 Mpa,均勻延伸率約15%，有優良的力學性能。

低溫貝氏體 組織 熱處理

0 前言

貝氏體鋼是一種具有良好強度和韌性的鋼種，在汽車、壓力容器、石油管線中有廣泛應用。低溫貝氏體鋼的貝氏體轉變溫度較低，約200 ℃～300 ℃，貝氏體轉變時間長，從幾十分鐘到幾十小時，較低的轉變溫度和較慢的轉變速度獲得超細的貝氏體組織，并且貝氏體鐵素體板條中間不是析出碳化物而是殘余奧氏體薄膜，其亞納米超細貝氏體和少量馬氏體、殘余奧氏體結構決定了其超高強度和良好韌性[1]，能達到屈服強度1 000 MPa以上，均勻延伸率10%以上的優異力學性能，近年來對低溫貝氏體鋼的研究也越來越多。

1 成分設計

對于超高強度貝氏體鋼的研究，化學成分設計的主要思路如下：加入較多的C和Mn以提高奧氏體穩定性，使γ→α轉變線向低溫方向移動，加入較多的Si、Al以抑制碳化物的析出，使得貝氏體板條中間不是析出碳化物而是殘余奧氏體薄膜，加入較多的C以提高強度和降低貝氏體轉變開始溫度B和馬氏體轉變開始溫度M，并且富碳的奧氏體穩定性很強，在貝氏體相變過程中會以薄膜裝殘余奧氏體的形式存在于貝氏體中間，從而達到改善鋼材韌性的目的；加入較多的Mo以降低回火脆性；同時為了縮短貝氏體轉變時間,需加入增高γ→α自由能的元素Al，為了減少臨界冷卻速度，增加貝氏體鋼的淬透性，促進貝氏體鋼的轉變，加入較多的V和Mo，V還有細化晶粒的效果。

通過控制C含量來控制貝氏體轉變開始溫度B，通過控制Al含量來控制貝氏體轉變速度并綜合考慮以上因素，設計出的鋼種成份見表1

表1 鋼種成份

鋼水的熔煉設備為50 kg真空感應爐，采用的熔煉材料為工業純鐵和高純度合金。

2 熱處理實驗

鋼水熔煉完畢后經模鑄→鍛造→軋制后成5 mm厚板材，然后進行熱處理，低溫貝氏體的轉變過程中碳從貝氏體向殘余奧氏體中擴散，進行碳的重新分配，在低溫狀態下，該過程很漫長[2]。根據LSB1、和LSB2的實測成份，查閱相圖，確定其貝氏體轉變溫度范圍約為200 ℃～300 ℃。所以制定如下熱處理方案：

(1)先將鋼板在高溫馬弗爐內保溫10 min，進行鋼板的奧氏體化，奧氏體化溫度為850 ℃～900 ℃；

(2)將鋼板從高溫馬弗爐內取出，空冷至300 ℃～400 ℃；

(3)將鋼板放入低溫馬弗爐內，在250 ℃～290 ℃溫度范圍內保溫較長的時間，進行奧氏體向低溫貝氏體的轉變；

(4)將鋼板保溫16 h～24 h后，從低溫馬弗爐內取出，空冷至室溫，空冷過程中發生部分殘余奧氏體向馬氏體的轉變。

具體熱處理工藝見表2。

表2 熱處理工藝

3 結果分析

熱處理完后，做掃描電鏡、顯微金相分析和拉伸試驗，拉伸試驗設備為10 t級板材拉伸機，典型掃描電鏡照片如圖1所示、金相照片如圖2所示，放大倍數為500倍，拉伸試驗結果見表3，典型拉伸曲線如圖3所示。

圖1 典型掃描電鏡照片

從典型掃描電鏡照片可看出，其典型組織為細小貝氏體、馬氏體和殘余奧氏體，其中貝氏體板條尺寸約為0.1 um～0.2 um，殘余奧氏體體積占50%以上，細小的貝氏體尺寸和較多的殘余奧氏體含量有利于鋼材韌性的提高。

圖2 低溫貝氏體鋼的金相組織

從金相組織照片可看出，鋼材組織為超細貝氏體、殘余奧氏體、馬氏體的混合組織，相比于其他試樣， 2#、5#、6#、8#試樣的貝氏體晶粒更細小、尺寸更均勻，貝氏體轉變也較完全，說明這些試樣的保溫溫度和保溫時間較合適。

從表3可看出，熱處理后的鋼板抗拉強度性能在1 200 Mpa～1 800 Mpa波動，延伸率在7.5%～15%波動，體現了較好的力學性能；表中隨著保溫溫度的降低，貝氏體含量減少、馬氏體含量增多，鋼材的抗拉強度增大，延伸率降低；290 ℃為較好的貝氏體轉變溫度，900 ℃為較好的奧氏體化溫度； LSB2的C、Al含量稍低一些，LSB2的延伸率要好于LSB1， LSB2與LSB1的抗拉強度相當，說明LSB2的成份設計較為合理。

表3 低溫貝氏體鋼的力學性能

圖3 低溫貝氏體的典型拉伸曲線

試樣8的拉伸試樣為板材，尺寸為4.75 mm*12.45 mm*50 mm,拉伸曲線為圖3，其屈服強度為1 370 MPa，抗拉強度為1 540 Mpa，延伸率為15.5%，該鋼材有優異的強度和塑性，并且拉伸曲線有明顯的屈服平臺，說明抗斷裂的塑性變形能力較好，可作為良好的吸能材料，在汽車用鋼領域有良好的應用前景。

4 結論

低溫貝氏體鋼采用C、Si、Mn的成份設計，成本較低，其組織為超細貝氏體、殘余奧氏體、馬氏體的混合組織，抗拉強度約1 500 Mpa,均勻延伸率約15%，有優良的力學性能，是新一代重點研究的高強度貝氏體鋼。但是這種鋼的貝氏體轉變時間較長，不利于工業化應用，還需對其生產工藝進一步優化。

[1] 徐光，操龍飛，補叢華，等.超級貝氏體鋼的現狀和進展[J].特殊鋼, 2012,33 (1):18-21.

[2] Cahallero F G . Bhadeshis H K D H. Very Strong Bainite. Current O-pinion in Solid State and Materials Science,2004,8:251

LABORATORY STUDY OF LOW TEMPERATURE BAINITE STEEL

Liu Chao

(Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co., Ltd.)

Laboratory study of low temperature bainite steel was carry out with a low cost component design of C, Si, Mn. After heat treatment, the steel has a mixed structure of ultrafine bainite, retained austenite an d martensite. It has about 1 500 Mpa tensile strength and about 15 % uniform elongation with excellent mechanical properties.

Low temperature bainite Structure Heat treatment

超，工程師，山東.萊蕪(271104)，山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司技術中心；

2016-12-17