Si對熱軋雙相鋼相變規律的影響

□馬榮材 祝志峰

雙相鋼以其良好的強度和延性匹配、高的初始加工硬化率、高的碰撞能量吸收能力和低屈強比等優點逐漸成為汽車制造的重要材料[1～2]。在雙相鋼中，有一種特別有效的添加元素，就是Si，它的作用針對鐵素體可以提高其基體的連續性，并且可使馬氏體不能相互聯接，防止馬氏體區域出現裂紋，同時鐵素體中C的活度可被提高，使其能夠表現出更好的韌性。然而目前關于Si含量對熱軋雙相鋼影響的研究，大多止步于Si含量對熱軋雙相鋼組織和性能的影響，對其相變規律研究較少。本文通過對不同Si含量試驗鋼的CCT曲線以及顯微組織進行對比，分析了Si對高強熱軋雙相鋼相變規律的影響，為高強度雙相鋼的產業化打好基礎。

一、實驗材料和方法

(一)實驗材料。實驗用鋼的化學成分(質量分數，%)如表1所示。利用50kg真空爐冶煉，冶煉后將鑄錠進行鍛造，鍛坯尺寸為40×70×90mm。

表1 化學成分(質量分數，%)

(二)實驗方法。為繪制實驗鋼奧氏體變形后的連續冷卻轉變曲線，利用在Gleeble-3,500熱模擬試驗機進行試驗，通過熱膨脹法及金相觀察最終確定曲線。

采用Gleeble-3,500熱模擬機將試樣以10℃/s的加熱速度加熱到1,100℃，然后以1℃/s的速度加熱到1,200℃，保溫3min，以10℃/s的速度冷卻到1,100℃保溫30s，以5s-1的變形速率壓縮30%，再以5℃/s的速度冷卻到850℃保溫30s，以10s-1的變形速率壓縮30%，然后分別以0.5℃/s、1℃/s、3℃/s、5℃/s、10℃/s、20℃/s、30℃/s的速度進行冷卻，最后采集溫度、膨脹量和時間數據繪制CCT曲線圖。

各試樣的顯微組織通過金相顯微鏡觀察，為描述不同冷速下組織中的鐵素體轉變量及晶粒尺寸，可采用ImageTools軟件進行統計，實驗鋼不同冷速下鐵素體的顯微硬度則利用Leica VMHT 30M硬度儀測定。

二、結果與討論

(一)低Si實驗鋼的CCT曲線及不同冷速下的顯微組織。1號低Si實驗鋼CCT曲線如圖1所示。實驗鋼CCT曲線中冷速在0.5～30℃/s范圍內均發生鐵素體轉變，其轉變溫度范圍為806～620℃，隨冷速增加，鐵素體開始轉變溫度降低，且0.5～5℃/s范圍內可以觀察到有部分珠光體轉變，但相變溫度范圍較窄。當冷速大于1℃/s后，貝氏體轉變則將出現，其轉變溫度范圍為613～490℃，所有冷速情況下均有馬氏體轉變。

1號實驗鋼不同冷速下金相組織如圖2所示，顯微組織特點如表2所示。

圖1 1號實驗鋼的CCT曲線

圖2 實驗鋼不同冷速下的顯微組織a:0.5℃/s; b:1℃/s; c:3℃/s; d:5℃/s;e:10℃/s; f:20℃/s; g:30℃/s

表2 顯微組織

圖3 2號實驗鋼的CCT曲線

(二)高Si實驗鋼的CCT曲線及不同冷速下的顯微組織。2號高Si實驗鋼CCT曲線如圖3所示。實驗鋼CCT曲線中冷速在0.5～30℃/s范圍內均發生鐵素體轉變，其轉變溫度范圍為826～630℃，隨冷速增加，鐵素體開始轉變溫度降低，且0.5～10℃/s范圍內有部分珠光體轉變，但相變溫度范圍較窄。當冷速大于3℃/s后，開始有貝氏體轉變發生，貝氏體轉變溫度范圍為585～470℃，0.5～30℃/s范圍內均有馬氏體轉變。2號實驗鋼不同冷速下金相組織如圖4所示，顯微組織特點如表3所示。

圖4 實驗鋼不同冷速下的顯微組織a:0.5℃/s; b:1℃/s; c:3℃/s; d:5℃/s;e:10℃/s; f:20℃/s; g:30℃/s

(三)Si含量對實驗鋼相變規律的影響。2號實驗鋼較1號實驗鋼Si含量高約0.55wt%，比較兩種實驗鋼的CCT曲線和不同冷速下的組織，可分析Si元素對相變規律的影響。

表3 顯微組織

圖5 1號和2號實驗鋼CCT曲線的對比

從圖5可知，1號實驗鋼和2號實驗鋼CCT曲線特征基本一致，通過比較可見，對于實驗用C-Si-Mn-Cr系列的熱軋雙相鋼，Si含量增加0.55wt%，鐵素體開始轉變溫度從806℃左右提高到826℃左右，鐵素體終止轉變溫度也有少許的提高，即鐵素體的轉變區域擴大了。這是由于在奧氏體化過程中，C在鐵素體中的化學勢由于Si在鐵素體中的聚集而提高，C元素向奧氏體中擴散的驅動力得到增強，C向奧氏體中聚集凈化了鐵素體基體，促進了鐵素體的生成。1號實驗鋼珠光體轉變結束的冷速約5℃/s，而2號實驗鋼珠光體轉變結束的冷速約10℃/s。即Si含量的提高在促進鐵素體轉變的同時，也促進了珠光體轉變。2號實驗鋼的貝氏體轉變溫度區間略低于1號實驗鋼，可見Si含量的提高促進C向奧氏體中聚集不僅凈化了鐵素體基體促，而且使得亞穩奧氏體的淬透性得到提高，增強了亞穩奧氏體的穩定性，抑制貝氏體轉變，拓寬了奧氏體亞穩區。

圖6 Si對實驗鋼鐵素體體積分數、晶粒尺寸和硬度的影響(a)對體積分數的影響; (b)對晶粒尺寸的影響;(c)對硬度的影響

如圖6可知，隨著冷速的增加，1號和2號實驗鋼鐵素體晶粒尺寸逐漸減小，鐵素體轉變量逐漸降低，而鐵素體的硬度逐漸升高。Si的添加可以促進鐵素體轉變，因此2號實驗鋼各冷速下鐵素體的體積分數均高于1號實驗鋼，如圖6(a)所示。Si的添加可以促進鐵素體轉變，即增加鐵素體形核的數目，由于鐵素體形核數增多，影響了鐵素體形核后的繼續長大，故當冷速低于約15℃/s時，含Si量較高的2號實驗鋼的鐵素體晶粒尺寸小于1號實驗鋼。而當冷速高于約15℃/s時，鐵素體形核和長大的時間受到限制，Si含量較高的2號實驗鋼中C向奧氏體區富集的速度大于1號實驗鋼，致使2號實驗鋼鐵素體形核后有一定的時間長大，所以2號實驗鋼中鐵素體的晶粒尺寸又大于1號實驗鋼，如圖6(b)所示。從圖6(c)中可以看出，Si含量較高的2號實驗鋼中鐵素體的硬度明顯高于1號實驗鋼，主要是因為在鐵素體中，Si是一種固溶強化元素，其可使碳向奧氏體的偏聚得到加速，進而更加凈化鐵素體，免除間隙固溶強化并可避免冷卻時粗大碳化物的生成。

三、結語

Si含量增加0.55wt%，鐵素體開始轉變溫度從806℃左右提高到826℃左右，鐵素體終止轉變溫度也有少許的提高，既擴大了鐵素體的轉變區域；同時也促進了珠光體轉變，抑制貝氏體轉變，拓寬了奧氏體亞穩區。由于Si是鐵素體的固溶強化元素，Si含量較高的實驗鋼中鐵素體的硬度明顯高于Si含量較低的實驗鋼。