軋制預變形和奧氏體化溫度對貝氏體鋼顯微組織與拉伸性能的影響

趙秋紅,王慶芬,馬到原

(1.長春建筑學院管理學院,長春 130607;2.吉林大學材料科學與工程學院,長春 130012)

0 引 言

貝氏體鋼由于具有良好的成形性、焊接性和強韌性匹配等優點而受到廣大科研工作者的關注,現主要應用于工程機械、汽車和船舶中的耐磨件、汽車軸和傳輸管等方面[1-3]。超細貝氏體鋼主要包括不含合金元素的C-Mn系鋼和含有鉻、鉬、鋁等合金元素的高碳與中低碳鋼。添加合金元素后超細貝氏體鋼的生產成本相對較高,但強韌性和焊接性等綜合性能更加優異,其良好強韌性歸因于其基體組織由貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成,而殘余奧氏體含量、存在形式和分布狀態會對鋼的力學性能產生顯著影響[4-5]。目前,超細貝氏體鋼的研究主要集中在化學成分、變形溫度、應力狀態和熱處理工藝等對殘余奧氏體形態和數量的影響上,且已證實適當的化學成分和工藝優化可以得到適當含量的殘余奧氏體,避免先共析鐵素體和碳化物等的形成。但是鋼在塑性變形作用下會產生相變誘導塑性效應,誘發殘余奧氏體向馬氏體轉變。如何從預變形角度來調控殘余奧氏體形態和數量將是值得研究的課題,但目前有關這方面的研究報道較少,具體作用機理尚未明確[6-8]。為此,作者研究了預變形和奧氏體化溫度對超細貝氏體鋼顯微組織和拉伸性能的影響,擬為超細貝氏體鋼綜合性能的提高及應用提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為鞍山鋼鐵集團公司生產的Fe-0.9C-1.4Si-1.6Mn-0.8Cr-0.2Mo-0.25Al(質量分數/%)鋼錠。在鋼錠上切割出厚度為6 mm 的鋼板,采用電感耦合等離子發射光譜儀測得其化學成分(質量分數/%)為0.92C,1.38Si,1.67Mn,0.81Cr,0.22Mo,0.24Al,余Fe。

采用四輥可逆式冷軋機對試驗鋼板進行4道次冷軋變形處理,加工成厚度為3 mm 的冷軋預變形鋼板。另外,采用二輥熱軋機對試驗鋼板進行4道次熱軋變形處理,開軋溫度為1 120℃,終軋溫度為890℃,加工成厚度為3 mm 的熱軋預變形鋼板。將未預變形試驗鋼板、冷軋預變形鋼板和熱軋預變形鋼板在950℃進行奧氏體化處理,保溫0.5 h,隨后置于鹽浴爐中進行300℃×1 h的等溫處理,空冷至室溫。根據組織和強塑積,確定出較佳的變形工藝,采用該變形工藝對試驗鋼板進行預變形處理,再在不同溫度(850～1 100℃)下進行奧氏體化和等溫處理,工藝參數同前。

采用線切割方法從未預變形鋼板和軋制預變形鋼板上截取尺寸為15 mm×15 mm×15 mm 的試樣,用牙托粉鑲嵌,砂輪打磨掉表面加工痕跡后,采用60#～1500#二氧化硅砂紙逐級打磨,再用金剛石研磨膏拋光,清洗吹干,用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕至表面發灰,在GX51型光學顯微鏡上觀察顯微組織;采用Sigma 500型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀形貌。用D8 ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)進行物相分析,采用銅靶,Kα射線,工作電壓為40 k V,工作電流為20 m A,掃描速率為2(°)·min-1,掃描范圍2θ為35°～95°,并用附帶的Jade6.5軟件計算殘余奧氏體含量(體積分數)。

采用線切割方法在鋼板上截取尺寸為110 mm×11 mm×3 mm 的拉伸試樣,標距為30 mm,根據GB/T 228.1—2010,在MTS-810型電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗,拉伸速度為2 mm·min-1,測3個試樣取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 預變形對顯微組織和拉伸性能的影響

由圖1可見:經奧氏體化和等溫處理后,未預變形試驗鋼的顯微組織由貝氏體鐵素體(BF)、薄膜狀和塊狀殘余奧氏體(RA)組成;冷軋預變形試驗鋼的顯微組織由細小的貝氏體鐵素體條束和薄膜狀殘余奧氏體組成;熱軋預變形試驗鋼的顯微組織由粗且長的貝氏體束和塊狀殘余奧氏體組成,塊狀殘余奧氏體尺寸相對未預變形試驗鋼要小。

圖1 未預變形以及冷軋和熱軋預變形試驗鋼經奧氏體化和等溫處理后的顯微組織Fig.1 Microstructures of non-pre-deformed(a-b)and cold rolled(c-d)and hot rolled pre-deformed(e-f)test steel after austenitizing and isothermal treatments:(a,c,e)at low magnification and(b,d,f)at high magnification

由圖2可見,經奧氏體化和等溫處理后,未預變形、冷軋預變形和熱軋預變形試驗鋼的物相都主要由體心立方結構的鐵素體和面心立方結構的奧氏體組成。采用衍射儀法[9]對衍射峰強度進行計算,得到未預變形、冷軋預變形和熱軋預變形試驗鋼中的殘余奧氏體體積分數分別為19.01%,11.21%,12.70%。可見冷軋預變形和熱軋預變形均可以降低試驗鋼中殘余奧氏體含量。這主要是因為變形會使試驗鋼中產生高密度位錯,為貝氏體鐵素體形核創造有利條件,從而加速等溫貝氏體轉變[10],減少殘余奧氏體含量。

圖2 奧氏體化和等溫處理后未預變形、冷軋和熱軋預變形試驗鋼的XRD譜Fig.2 XRD patterns of non-pre-deformed and cold rolled and hot rolled pre-deformed test steel after austenitizing and isothermal treatments

由表1可知:經奧氏體化和等溫處理后,冷軋預變形試驗鋼的抗拉強度、斷后伸長率和強塑積分別較未預變形試驗鋼提高了42.6%,134.5%,234.7%;熱軋預變形試驗鋼的抗拉強度較未預變形試驗鋼提高27.9%,但是斷后伸長率和強塑積都小于未預變形試驗鋼。奧氏體化和等溫處理后,冷軋預變形鋼中的貝氏體鐵素體條束較為細小,殘余奧氏體含量較少且多為薄膜狀, 因此其抗拉強度和斷后伸長率都有所提高[11];熱軋預變形鋼中的貝氏體束粗且長,殘余奧氏體多呈塊狀,因此抗拉強度升高而塑性降低。綜上可知,冷軋預變形試驗鋼的組織更加細小,且強塑積最大,故后文以冷軋預變形試驗鋼作為研究對象,研究奧氏體化溫度的影響。

表1 奧氏體化和等溫處理后未預變形、熱軋和冷軋預變形試驗鋼的室溫拉伸性能Table 1 Room temperature tensile properties of non-predeformed and hot rolled and cold rolled pre-deformed test steel after austenitizing and isothermal treatments

2.2 奧氏體化溫度對顯微組織與拉伸性能的影響

由圖3可知:當奧氏體化溫度在850～1 050℃時,冷軋預變形試驗鋼的組織為貝氏體鐵素體、薄膜狀/塊狀殘余奧氏體和少量馬氏體;當奧氏體化溫度升高至1 100℃時,除貝氏體鐵素體和殘余奧氏體外,還出現少量沿粗大原奧氏體晶界生長的片狀魏氏體鐵素體(WF);此外,當奧氏體化溫度為950℃時,貝氏體鐵素體的尺寸相對較小,薄膜狀殘余奧氏體的尺寸相對較大,而當奧氏體化溫度為1 100℃時,貝氏體鐵素體的尺寸相對較大,薄膜狀殘余奧氏體的尺寸相對較小。

圖3 不同溫度奧氏體化和等溫處理后冷軋預變形試驗鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of cold rolled pre-deformed test steel after austenitizing at different temperatures and isothermal treatments

由圖4可知,冷軋預變形試驗鋼的平均晶粒尺寸隨奧氏體化溫度的升高而增大,這可能與鋼中第二相粒子溶解造成對奧氏體晶粒粗化的抑制作用減弱有關[12]。

圖4 不同溫度奧氏體化和等溫處理后冷軋預變形試驗鋼的平均晶粒尺寸Fig.4 Average grain size of cold rolled pre-deformed test steel after austenitizing at different temperatures and isothermaltreatments

由圖5可見,不同溫度奧氏體化和等溫處理后,冷軋預變形試驗鋼的物相組成相同,均主要為奧氏體和鐵素體。計算得到當奧氏體化溫度分別為850,900,950,1 000,1 050,1 100℃時,試驗鋼中殘余奧氏體體積分數分別約為12.9%,11.8%,12.2%,11.6%,12.6%,5.4%。可見850～1 050℃溫度范圍的奧氏體化處理對試驗鋼中殘余奧氏體含量影響不大, 但是當奧氏體化溫度升高至1 100℃時,殘余奧氏體含量明顯減少。這主要是因為經1 100℃奧氏體化后,試驗鋼中形成了粗大的殘余奧氏體和片狀魏氏體鐵素體,粗大奧氏體晶粒會加速貝氏體束長大并在一定程度上會提升貝氏體轉變量[13]。

圖5 不同溫度奧氏體化和等溫處理后冷軋預變形試驗鋼的XRD譜Fig.5 XRD patterns of cold rolled pre-deformed test steel after austenitizing at different temperatures and isothermal treatments

由圖6可知,隨著奧氏體化溫度升高,冷軋預變形試驗鋼的抗拉強度和斷后伸長率整體呈現先略微增大后減小的趨勢,且均在奧氏體化溫度為950℃時達到最大,強塑積達到31.63 GPa·%。這主要是因為當奧氏體化溫度在950℃時,試驗鋼中的奧氏體晶粒和貝氏體鐵素體尺寸較小,同時在拉伸時產生了殘余奧氏體相變誘導塑性效應[14]。在850～900℃奧氏體化并等溫處理后,試驗鋼的抗拉強度和斷后伸長率高于在1 000～1 100℃奧氏體化并等溫處理后,這是因為在較低奧氏體化溫度下,試驗鋼的奧氏體晶粒和貝氏體鐵素體尺寸較為細小且殘余奧氏體含量較高[15];此外,當奧氏體化溫度升高到1 100℃時形成的粗大魏氏體鐵素體會進一步降低試驗鋼的強度和塑性[16]。

圖6 不同溫度奧氏體化和等溫處理后冷軋預變形試驗鋼的室溫拉伸性能Fig.6 Room temperature tensile properties of cold rolled predeformed test steel after austenitizing at different temperatures and isothermal treatments

3 結 論

(1)經950℃奧氏體化和300℃等溫處理后,未預變形試驗鋼的顯微組織由貝氏體鐵素體、薄膜狀和塊狀殘余奧氏體組成,冷軋預變形試驗鋼由細小的貝氏體鐵素體條束和薄膜狀殘余奧氏體組成,熱軋預變形試驗鋼則由粗大的貝氏體束與塊狀殘余奧氏體組成,塊狀殘余奧氏體尺寸小于未預變形試驗鋼;預變形處理可降低試驗鋼組織中殘余奧氏體含量。

(2) 經850～1 050℃奧氏體化和300℃等溫處理后,冷軋預變形試驗鋼的組織均由貝氏體鐵素體、薄膜狀/塊狀殘余奧氏體和少量馬氏體組成,殘余奧氏體體積分數在11.6%～12.9%,變化不大,但當奧氏體化溫度升高至1 100℃時,殘余奧氏體體積分數降低至5.4%,并且組織中還出現少量片狀魏氏體鐵素體;冷軋預變形試驗鋼的平均晶粒尺寸隨奧氏體化溫度升高而增大。

(3) 經950℃奧氏體化和300℃等溫處理后,冷軋預變形試驗鋼的抗拉強度、斷后伸長率和強塑積分別較未預變形試驗鋼提高42.6%,134.5%,234.7%,熱軋預變形試驗鋼的抗拉強度較未預變形試驗鋼提高,但是斷后伸長率和強塑積都減小;隨奧氏體化溫度的升高,冷軋預變形試驗鋼的抗拉強度和斷后伸長率均先略微增大后減小,當奧氏體化溫度為950℃時均達到最大。