涂 煜,吳開明
(1. 武漢科技大學(xué)高性能鋼鐵材料及其應(yīng)用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢,430081;2. 武漢科技大學(xué)國際鋼鐵研究院,湖北 武漢,430081 )
冷拔珠光體鋼絲由于兼具高強(qiáng)度和一定的韌性,被廣泛應(yīng)用于橋梁纜索、輪胎簾線、鋼絲繩及彈簧等工程結(jié)構(gòu)用材料的制造中。近年來,隨著新建橋梁跨距的不斷增加,如何在進(jìn)一步提高鋼絲強(qiáng)度的同時保證其良好的塑韌性,成為國內(nèi)外研究者亟需解決的問題[1]。對于橋梁纜索用鍍鋅鋼絲而言,其應(yīng)變量相對較小,加工硬化程度不高,鍍鋅鋼絲的強(qiáng)化主要依靠增加盤條的抗拉強(qiáng)度,從微觀組織方面考慮,可以通過細(xì)化珠光體片層間距、強(qiáng)化鐵素體(固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化)及增加滲碳體比例等方式來實現(xiàn)[2]。
Al作為一種鐵素體穩(wěn)定化元素,對奧氏體轉(zhuǎn)變有促進(jìn)作用,即能有效擴(kuò)大鐵素體相區(qū)和縮小奧氏體相區(qū)[3]。盛振棟等[4]通過研究Al元素對熱擠壓模具鋼SDAH13連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的影響發(fā)現(xiàn),Al元素的加入提高了SDAH13鋼的相變溫度點(diǎn)Ac1、Ac3、Ms,擴(kuò)大了其鐵素體+奧氏體兩相區(qū),且相比于不含Al的SDAH13鋼,添加0.77%和0.43%Al后試驗鋼的珠光體臨界轉(zhuǎn)變冷卻速度明顯提高。另外,對于添加微量Al元素處理的中碳鋼而言,若從900 ℃的奧氏體化溫度冷卻至珠光體轉(zhuǎn)變溫度范圍,需要采用70~140 ℃/s的超快冷卻速度才可能得到全珠光體組織,而這在實際生產(chǎn)中很難實現(xiàn)[5]。本課題組設(shè)計了兩組碳含量為0.78%的高碳鋼,對比研究發(fā)現(xiàn),添加Al、Co的試驗鋼在低于0.1 ℃/s的冷卻速度下得到了全珠光體組織,而不含Al、Co的鋼中,要在低于0.05 ℃/s的冷卻速度下才能得到全珠光體組織,表明Al元素擴(kuò)大了該合金體系的珠光體冷卻轉(zhuǎn)變區(qū)間[6]。
基于此,本研究設(shè)計了不含Al和含1.5%Al的兩組橋索用超高強(qiáng)度珠光體鋼,重點(diǎn)分析了Al元素對試驗鋼緩慢冷卻條件下微觀組織、硬度及珠光體轉(zhuǎn)變行為的影響。
本研究以某橋梁纜索用珠光體鋼的成分為基礎(chǔ),設(shè)計了不含Al和含1.5%Al的兩組試驗鋼,其化學(xué)成分如表1所示。鋼中加入一定濃度的Si是為了抑制奧氏體中滲碳體的析出和沉淀,而加入Mn、Cr、Nb等元素則是為了控制奧氏體晶粒尺寸、改善鋼的淬透性及回火脆性。
表l 試驗用鋼的化學(xué)成分(wB/%)
鍛后空冷處理后,試驗鋼的微觀組織及精細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1~圖3所示。從圖1所示的OM照片可以看出,兩種鋼的室溫組織均主要由珠光體和馬氏體構(gòu)成,圖中黑色團(tuán)狀和片層狀組織為珠光體,灰白色塊狀組織為馬氏體,且相較于Al-free鋼,1.5Al鋼樣鍛后空冷得到的組織中珠光體團(tuán)更多,而馬氏體相對較少。
(a)Al-free鋼 (b)1.5Al鋼
圖1 鋼樣的OM照片
Fig.1 OM images of steel samples
(a)Al-free鋼 (b)1.5Al鋼
圖2 鋼樣的SEM照片
Fig.2 SEM images of steel samples
(a) Al-free鋼,低倍 (b) Al-free鋼,高倍
(c) 1.5Al鋼,低倍 (d) 1.5Al鋼,高倍
(e) 1.5Al鋼,碳化物分布 (f) 1.5Al鋼,電子衍射花樣標(biāo)定
圖3 鋼樣的TEM照片及電子衍射花樣
Fig.3 TEM images and diffraction pattern of steel samples
從圖2所示的SEM照片進(jìn)一步可以看出,兩者的室溫組織均由片層狀珠光體和少量塊狀馬氏體組成,且1.5Al鋼樣中珠光體組織的片層間距相較于Al-free鋼更為細(xì)小。結(jié)合圖3所示的TEM照片來看,試驗鋼中珠光體組織并不是完全規(guī)則的片層狀,還有部分呈團(tuán)簇狀,并且片層珠光體之間的取向也不相同。從圖3(b)和圖3(d)所示的高倍TEM照片中觀察到,試驗鋼珠光體組織由一層滲碳體(黑色)和一層鐵素體(白色)構(gòu)成,圖3(e)和圖3(f)中的碳化物暗場像及電子衍射花樣標(biāo)定結(jié)果也進(jìn)一步證明,經(jīng)過鍛后空冷處理后,1.5Al鋼樣的室溫組織主要為滲碳體和鐵素體組成的片層狀珠光體。
鍛后空冷處理后,鋼樣的珠光體片層間距和維氏硬度測試結(jié)果列于表2中。由表2可見,與Al-free鋼樣相比,添加1.5%Al后試驗鋼的珠光體片層間距減小,且維氏硬度HV1降低了約56,這與顯微組織觀察結(jié)果相符,主要是由于添加1.5%Al的試驗鋼在冷卻過程中產(chǎn)生了更多的珠光體組織,而珠光體的硬度比馬氏體要低得多,故1.5Al鋼樣的硬度相對較低。
表2 鋼樣的珠光體片層間距和硬度
Table 2 Pearlite lamellar spacing and hardness of steel samples
鋼樣珠光體片層間距/nm硬度HV1Al-free鋼150±15435±191.5Al鋼130±10379±15
圖4為MUCG83軟件計算所得試驗鋼的等溫轉(zhuǎn)變(TTT)曲線和自由能變化曲線。由圖4(a)所示的TTT曲線可見,Al元素的添加可以提高試驗鋼的珠光體轉(zhuǎn)變溫度,使C曲線上移;同時也能縮短珠光體轉(zhuǎn)變時間,使C曲線左移。珠光體轉(zhuǎn)變溫度的升高,則加速了碳在奧氏體中的擴(kuò)散,進(jìn)而提高了珠光體轉(zhuǎn)變速度,同時也提高了共析轉(zhuǎn)變溫度及增加了過冷度。
由圖4(b)所示的自由能變化曲線可見,添加Al元素后,試驗鋼由奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的自由能增加。通常而言,珠光體轉(zhuǎn)變可視為局部平衡相變過程,相變驅(qū)動力來源于系統(tǒng)狀態(tài)內(nèi)準(zhǔn)平衡態(tài)向正平衡態(tài)的轉(zhuǎn)變趨勢,兩平衡態(tài)間的轉(zhuǎn)變可能為滲碳體的析出提供驅(qū)動力[8]。Hultgren[9]利用外推法研究表明,通過延伸α+γ/γ相或γ+θ/γ相的局部區(qū)域,在轉(zhuǎn)變溫度低于平衡共析溫度下,奧氏體也有轉(zhuǎn)變?yōu)槿楣怏w的可能,但為了避免形成先共析鐵素體,則需要非??斓睦鋮s速度。而Al的添加增加了熱力學(xué)驅(qū)動力,大幅提升了新相形核速率,能夠有效抑制準(zhǔn)平衡態(tài)到正平衡態(tài)轉(zhuǎn)變過程中多邊形鐵素體的形成[8,10],即使在較慢的冷卻速度下,也可以形成較細(xì)的滲碳體片層結(jié)構(gòu),促進(jìn)了珠光體轉(zhuǎn)變。
(a)TTT曲線
(b)自由能變化曲線
Fig.4 TTT transformation and free energy change curves of tested steels
利用J-MatPro軟件計算得到試驗鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線如圖5所示,“Pearlite(0.1%)”表示珠光體轉(zhuǎn)變開始,“Pearlite(99.9%)”表示珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束,從圖中可以得到連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變后獲得不同組織的冷卻速度范圍。由圖5可知,若在1 ℃/s的冷卻速度下,1.5Al鋼樣的珠光體開始轉(zhuǎn)變和結(jié)束轉(zhuǎn)變溫度分別為752、678 ℃,轉(zhuǎn)變持續(xù)時間為74 s,而Al-free鋼的珠光體開始轉(zhuǎn)變和結(jié)束轉(zhuǎn)變溫度為704、596 ℃,轉(zhuǎn)變持續(xù)時間為108 s。對比可知,添加1.5%Al后,試驗鋼的珠光體轉(zhuǎn)變溫度升高,轉(zhuǎn)變時間則變短,這與圖4(a)所示的結(jié)果一致。從圖5還可以看出,加入1.5%Al后,珠光體轉(zhuǎn)變的連續(xù)冷卻速度范圍擴(kuò)大,珠光體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度增大。
本研究用鋼中碳含量超過了0.9%,即為過共析鋼,而對于過共析鋼,獲得珠光體組織需要較慢的冷卻速度。加入1.5%的Al元素后,試驗鋼更接近于共析點(diǎn),故1.5Al鋼可以在較快的冷卻速度下獲得珠光體組織。此外,Al元素還能提高試驗鋼的共析點(diǎn)溫度,即提高珠光體轉(zhuǎn)變溫度,碳在奧氏體中的活度得到提高,有利于過冷奧氏體中合金碳化物的形成,兩者的共同作用促進(jìn)了珠光體的形核及長大。
圖5 試驗鋼的CCT曲線
Takahashi[11]提出了相轉(zhuǎn)變后珠光體片層間距S0與過冷度ΔT的關(guān)系模型,即:
(1)
式中:TE為共析轉(zhuǎn)變溫度;a、b為常數(shù)。
從上述式中可以看出,過冷度越大,珠光體片層間距越小。由圖4可知,本試驗用鋼中Al元素的添加提高了體系的過冷度,且結(jié)合實驗結(jié)果來看,1.5Al鋼中珠光體片層間距相比于Al-free鋼更細(xì)小,這與文獻(xiàn)[11]提出的模型相符合。另一方面,Capdevila等[12]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評估了各合金元素對珠光體片層間距的影響,結(jié)果表明,Mn、Ni、Cr、Mo等奧氏體穩(wěn)定元素會增加合金的珠光體片層間距,但Al、Co等鐵素體穩(wěn)定元素則會減少合金的珠光體片層間距。
(1)鍛后空冷處理后,Al-free和含1.5%Al鋼的室溫組織均為片層狀的珠光體和少量塊狀馬氏體,且添加1.5%Al的高碳合金鋼中,珠光體片層更精細(xì),與Al-free鋼相比細(xì)化了約20 nm。
(2)添加一定量Al元素后,試驗鋼的維氏硬度HV1降低了約56,這是由于Al元素的加入提高了試驗鋼的共析轉(zhuǎn)變溫度,加速了碳在奧氏體中的擴(kuò)散,珠光體相變熱力學(xué)驅(qū)動力增加,從而促進(jìn)了珠光體轉(zhuǎn)變,這使得含1.5%Al鋼樣中珠光體組織的含量相對較高。
(3)熱力學(xué)與動力學(xué)計算結(jié)果表明,Al合金化可以提高試驗鋼的珠光體轉(zhuǎn)變溫度,使C曲線上移,同時也能縮短珠光體轉(zhuǎn)變時間,使C曲線左移;珠光體轉(zhuǎn)變溫度越高,碳在奧氏體中的活度越大,這有利于過冷奧氏體中合金碳化物的形成。兩者共同作用促進(jìn)了試驗鋼中珠光體的形核與長大。