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      鈮對(duì)高碳鋼連續(xù)冷卻過(guò)程中相變和珠光體片層間距的影響

      2013-08-16 10:22:28楊超飛吳慶輝王慧敏楊忠民
      機(jī)械工程材料 2013年3期
      關(guān)鍵詞:冷速晶核珠光體

      楊超飛,吳慶輝 ,陳 穎 ,王慧敏 ,楊忠民

      (鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)材料研究所,北京100081)

      0 引 言

      高碳鋼線材是制造輪胎鋼絲及彈簧鋼絲等的重要原料,其質(zhì)量及性能的優(yōu)劣備受關(guān)注。目前,通常采用微合金化以及優(yōu)化控冷生產(chǎn)工藝提高其綜合性能[1]。

      微合金元素鈮在低碳鋼中的作用已經(jīng)研究的相當(dāng)廣泛和深入,加入適量鈮可以細(xì)化其晶粒,提高晶粒的粗化溫度(即提高高溫區(qū)奧氏體晶粒的穩(wěn)定性)以及鋼的屈服強(qiáng)度和沖擊韌性[2]。然而,在高碳鋼中加入鈮的作用如何,到目前為止,相關(guān)文獻(xiàn)研究多集中在升溫階段鈮元素可以有效抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大、細(xì)化奧氏體晶粒方面,而對(duì)鈮微合金化高碳鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為和組織轉(zhuǎn)變規(guī)律的研究則少見(jiàn)報(bào)道。高碳鋼在低冷速下的轉(zhuǎn)變組織以珠光體為主,Elwazri等[3]和 Gladman[4]的研究認(rèn)為,珠光體片層間距是決定珠光體強(qiáng)度的最重要因素;Hiroyasu等[5]通過(guò)控制珠光體片層間距至0.1μm以下,得到了抗拉強(qiáng)度超過(guò)1 300MPa的鋼軌鋼;李翼[6]等的研究表明微合金元釩對(duì)珠光體的片層間距具有減小作用,但鈮對(duì)珠光體片層間距的影響機(jī)制未被討論。

      為此,作者在普通高碳鋼中加入微合金元素鈮,研究了鈮元素對(duì)高碳鋼在連續(xù)冷卻過(guò)程中奧氏體組織轉(zhuǎn)變和珠光體片層間距的影響,期望為制訂合理的控冷工藝,充分發(fā)揮微合金元素的作用提供理論基礎(chǔ)。

      1 試樣制備與試驗(yàn)方法

      1.1 試樣制備

      試驗(yàn)材料為5kg的高碳鋼鋼錠,其中一個(gè)含鈮,另一個(gè)不含鈮,其化學(xué)成分見(jiàn)表1所示,其主要設(shè)計(jì)原則是在保證碳、硅、錳含量不變的情況下加入微量鈮,以研究鈮對(duì)高碳鋼在連續(xù)冷卻過(guò)程中相變的影響。將鋼錠鍛造成φ16mm的棒材,鍛后進(jìn)行850℃正火。

      用Thermo-Calc軟件計(jì)算該鋼共析點(diǎn)的碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.716%,0.724%,可知1#和2#試驗(yàn)鋼的碳含量均小于共析點(diǎn)碳含量,故試驗(yàn)鋼應(yīng)為亞共析鋼;兩種鋼的共析點(diǎn)碳含量差別為0.008%,差別很小,可見(jiàn),微量鈮對(duì)試驗(yàn)鋼共析點(diǎn)碳含量的影響很小。

      表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of tested steels(mass)%

      1.2 試驗(yàn)方法

      加工出直徑為10mm、長(zhǎng)為100mm的試樣,在Gleeble 1500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加熱及冷卻試驗(yàn),獲取繪制CCT曲線所需數(shù)據(jù),依據(jù)YB 5128—1993[7]制定熱膨脹法的試驗(yàn)方案如圖1所示,其中650~850℃之間的升溫速率為200℃·h-1,這是為了準(zhǔn)確測(cè)試驗(yàn)鋼的Ac1(組織開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)的溫度)和Ac3(組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)的溫度);在1 200℃保溫2min主要是為了使鈮盡可能完全溶解;以不同的冷速冷卻至室溫,記錄下膨脹曲線以測(cè)相變溫度,通過(guò)熱電偶測(cè)試樣溫度。

      圖1 熱模擬試驗(yàn)方案Fig.1 Scheme of thermal simulation test

      將上述試樣在中間熱電偶焊接處切割出若干個(gè)長(zhǎng)為10mm的小圓柱體,將其打磨、拋光、腐蝕后在光學(xué)顯微鏡(OM)下觀察組織,在掃描電鏡(SEM)下測(cè)珠光體的片層間距,并在Vickers硬度計(jì)上測(cè)硬度。

      2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

      2.1 鈮對(duì)試驗(yàn)鋼CCT曲線的影響

      依據(jù)得到的熱膨脹曲線知,1#試驗(yàn)鋼的Ac3=795℃,Ac1=746℃,Ms=240 ℃;2#試驗(yàn)鋼的Ac3=797℃,Ac1=747℃,Ms=242℃??梢钥闯?,鈮的加入對(duì)Ac3,Ac1,Ms等轉(zhuǎn)變溫度影響不大。將準(zhǔn)確測(cè)得的連續(xù)冷卻過(guò)程中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織的開(kāi)始溫度和結(jié)束溫度列于表2中,由Ar3-Ar1計(jì)算相變溫度區(qū)間。

      表2 試驗(yàn)鋼在不同冷速下的轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度、硬度和轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間Tab.2 Transformation temperatures,hardness and width of transitiontemperature region of tested steels at the different cooling rates

      由圖2可知,在0.1,0.3,0.6℃·s-1低冷速條件下,1#,2#試驗(yàn)鋼的室溫組織為珠光體(P)和少量鐵素體(F);1#試驗(yàn)鋼在冷速達(dá)到1℃·s-1時(shí)仍為珠光體和少量鐵素體,在2℃·s-1時(shí)為珠光體和貝氏體(B)的混合組織,在4℃·s-1時(shí)基本為馬氏體(M)和貝氏體的混合組織;2#試驗(yàn)鋼從冷速達(dá)到1℃·s-1時(shí)即為珠光體和貝氏體的混合組織,4℃·s-1時(shí)為大量馬氏體和少量貝氏體的混合組織。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%的鈮后,高碳鋼的組織明顯細(xì)化,在較低的冷速下也會(huì)出現(xiàn)貝氏體和馬氏體的混合組織。根據(jù)組織和轉(zhuǎn)變溫度可得試驗(yàn)鋼的CCT曲線,如圖3所示。

      圖2 不同試驗(yàn)鋼以不同冷速冷至室溫時(shí)的顯微組織Fig.2 Microstructure of different tested steels cooled to room temperature at different cooling rates

      由圖3可知,與1#試驗(yàn)鋼相比,2#試驗(yàn)鋼的CCT曲線整體向右下偏離,表現(xiàn)為2#試驗(yàn)鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度和結(jié)束溫度均低于1#試驗(yàn)鋼的,如冷速為0.3℃·s-1時(shí),1#試驗(yàn)鋼比2#試驗(yàn)鋼的轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度高15℃、結(jié)束溫度高14℃,但兩者的相變溫度區(qū)間大小不變??梢?jiàn)微量鈮的加入對(duì)高碳鋼CCT曲線的影響很明顯。

      圖3 試驗(yàn)鋼的CCT曲線Fig.3 CCT curves of tested steels

      對(duì)照?qǐng)D并以0.1,0.3,0.6℃·s-1低冷速下的珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域分析其原因。珠光體轉(zhuǎn)變是典型的形核長(zhǎng)大型相變,其轉(zhuǎn)變過(guò)程要經(jīng)過(guò)孕育期和形核長(zhǎng)大期。鈮是強(qiáng)碳化物形成元素,以置換原子的形式溶于奧氏體中,會(huì)對(duì)間隙原子碳產(chǎn)生很強(qiáng)的拖曳作用,由此增加了碳原子在過(guò)冷奧氏體中的擴(kuò)散激活能;擴(kuò)散激活能的提高使珠光體的孕育期變長(zhǎng)[6],珠光體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度降低。故在相同的冷速下,鋼中加入鈮后奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的溫度降低。

      連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí),珠光體晶核長(zhǎng)大的平均速度決定連續(xù)冷卻條件下的珠光體相變起始溫度和終止溫度區(qū)間。根據(jù) Zener-Hillert[8]理論,珠光體晶核的長(zhǎng)大速度v可以表示為

      在相同的轉(zhuǎn)變溫度下,鋼中加入強(qiáng)碳化物形成元素能降低碳原子的擴(kuò)散系數(shù),從而降低珠光體晶核的長(zhǎng)大速度。相同成分時(shí)轉(zhuǎn)變溫度越低,ΔT越大,從而珠光體晶核的長(zhǎng)大速度越大。在連續(xù)轉(zhuǎn)變過(guò)程中,珠光體晶核長(zhǎng)大速度受化學(xué)成分和轉(zhuǎn)變速度的共同影響。

      根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可知,1#,2#試驗(yàn)鋼的珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間基本一樣,從而可推斷出這兩種試驗(yàn)鋼的珠光體晶核長(zhǎng)大的平均速度一致。加入鈮元素后,減??;相同冷速時(shí),含鈮鋼的ΔT大于不含鈮鋼的。當(dāng)和(ΔT)2對(duì)v的影響相當(dāng)時(shí),v可以保持不變,即珠光體晶核長(zhǎng)大的平均速率相同,在試驗(yàn)鋼中加入鈮后即為此種情況。

      在連續(xù)冷卻條件下,高碳鋼中加入的鈮通過(guò)與碳的相互作用降低了孕育期結(jié)束時(shí)的珠光體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度,對(duì)長(zhǎng)大期珠光體晶核的平均長(zhǎng)大速度基本無(wú)影響,從而使珠光體相變溫度區(qū)間不變。

      2.2 鈮對(duì)珠光體片層間距的影響

      由圖4可以看出,隨著冷速的增大,兩種試驗(yàn)鋼的珠光體片層間距均減??;在相同冷速下,2#試驗(yàn)鋼的珠光體片層間距比1#試驗(yàn)鋼的小。

      通過(guò)選取多張圖片和多個(gè)視場(chǎng),用垂直線段法[9]測(cè)得了1#,2#試驗(yàn)鋼在0.1,0.3,0.6℃·s-1冷速下的珠光體片層間距,并列于表3中。由Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算得1#,2#試驗(yàn)鋼的理論共析點(diǎn)溫度分別為736.8,737.4℃,結(jié)合表2中1#,2#試驗(yàn)鋼在相應(yīng)冷速條件下的實(shí)際轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度求得過(guò)冷度,一并列于表3中,如在冷速為0.3℃·s-1時(shí),查得1#試驗(yàn)鋼的珠光體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度為671℃,故過(guò)冷度為736.8-671=65.8℃。

      對(duì)于珠光體片層間距的理論計(jì)算,比較公認(rèn)的是Zener半經(jīng)驗(yàn)公式:

      圖4 不同試驗(yàn)鋼在低冷速時(shí)珠光體的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of pearlite in different tested steels at low cooling rates

      表3 試驗(yàn)鋼在低冷速下的過(guò)冷度和珠光體片層間距Tab.3 Undercooling and laminar spacing of pearlites of tested steels at low cooling rates

      式中:S為珠光體片層間距;σ為比界面能;Vm為摩爾體積;Tc為珠光體平衡轉(zhuǎn)變溫度;ΔH 為相變潛熱;ΔT為過(guò)冷度。

      假設(shè)σ,Vm,Tc和ΔH 在加鈮前后變化不大。則式(2)可以簡(jiǎn)化為

      式中:K為常數(shù)。

      可知,珠光體片層間距與過(guò)冷度成反比,過(guò)冷度增大將導(dǎo)致珠光體片層間距細(xì)化。這是因?yàn)殡S著過(guò)冷度的增大,奧氏體中的碳濃度增加,同時(shí)由于溫度降低,原子活動(dòng)能力減弱,擴(kuò)散距離縮短,從而使得使珠光體的片層間距得以減小。

      結(jié)合表3數(shù)據(jù),聯(lián)系前面的CCT曲線,可以得出,在相同轉(zhuǎn)變條件下,鈮的加入使珠光體片層間距細(xì)化,結(jié)合式(3)分析可知,主要是由于鈮的加入降低了試驗(yàn)鋼的過(guò)冷度。

      鈮是強(qiáng)碳化物形成元素,在高碳鋼中的溶解度很低,在連續(xù)冷卻過(guò)程中,可在高溫奧氏體溫區(qū)中以Nb(C,N)形式析出,阻礙碳的長(zhǎng)程擴(kuò)散,并降低珠光體的相變溫度,起到細(xì)化珠光體片層間距的作用;同時(shí)在奧氏體-珠光體相變過(guò)程中由于鈮的拖拽作用也抑制了碳的擴(kuò)散距離,進(jìn)一步減小了珠光體的片層間距,因此鈮的加入有利于珠光體片層間距的減小。

      3 結(jié) 論

      (1)鈮能使高碳鋼的CCT曲線向右下方移動(dòng),并能明顯減小珠光體片層間距;在較低的冷速下(0.1℃·s-1),鈮對(duì)珠光體的轉(zhuǎn)變影響不大,在高冷速下,鈮對(duì)珠光體和貝氏體相變溫度的降低作用顯著;含鈮的高碳鋼更易得到貝氏體組織。

      (2)鈮的添加對(duì)高碳鋼珠光體晶核的長(zhǎng)大速度具有雙重影響,使得加入鈮后珠光體晶核的平均長(zhǎng)大速度不變,轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間變化不大。

      (3)鈮能降低碳的擴(kuò)散速度和珠光體的相變溫度,并能增大過(guò)冷度,從而使珠光體片層間距減小。

      [1]顧克井,魏軍,虞海燕,等.微合金高碳硬線鋼的研制[J].鋼鐵,2005,40(11):24-26.

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      [6]李翼,楊忠民.V對(duì)高碳鋼連續(xù)冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變的影響[J].金屬學(xué)報(bào),2010,46(12):1501-1510.

      [7]YB 5128-1993 鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖的測(cè)量方法(膨脹法)[S].

      [8]VERHOEVEN J D.Fundamentals of physical mttallurgy[M].New York:John Wiley&Sons,1975:436-436.

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