Nb-V微合金鋼CCT曲線的測定及分析

許文喜 楊德倫 伍萬飛 霍俊

摘要：本文借助Thermo-Calc軟件計(jì)算平衡條件下Nb-V微合金鋼平衡相狀態(tài)圖，并通過熱膨脹儀測定Nb-V微合金鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT 曲線），研究實(shí)驗(yàn)鋼冷卻速度的變化對室溫顯微組織以及顯微硬度的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)冷速小于0.5 ℃/s 時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為先共析鐵素體+珠光體混合組織;冷速增加到0.5 ℃/s 時(shí)，有少量的貝氏體產(chǎn)生，貝氏體開始發(fā)生轉(zhuǎn)變;當(dāng)冷卻速度達(dá)到4 ℃/s時(shí)，開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變;隨著冷速增加至4.5 ℃/s時(shí)，鐵素體和珠光體組織轉(zhuǎn)變基本消失，僅發(fā)生貝氏體和馬氏體組織轉(zhuǎn)變，且隨著冷卻速度增加，室溫組織主要以馬氏體為主;隨著冷卻速度的增加，實(shí)驗(yàn)鋼的硬度值呈逐漸升高的趨勢。

關(guān)鍵詞：Nb-V微合金鋼? 析出相? 冷卻速度? 膨脹法? CCT曲線

隨著科技水平的提高，微合金元素在低合金鋼中的強(qiáng)韌化機(jī)理研究越來越深入，微合金元素的應(yīng)用也越來越廣泛，合金元素對鋼的品種開發(fā)具有深刻影響。合金元素V主要以碳、氮的形式存在于基體和晶界中，能抑制晶粒生長和沉淀強(qiáng)化[1]。合金元素Nb元素可通過固溶抑制或沉淀機(jī)制有效抑制高溫奧氏體的再結(jié)晶，使含鈮鋼在軋制時(shí)采用控軋控冷工藝能夠顯著增加材料的機(jī)械性能。要想利用合金元素的特性，充分發(fā)揮鋼中微合金化元素在材料中的作用，就需要合理進(jìn)行熱處理，控制軋制后的冷卻工藝。微合金鋼熱處理過程中，奧氏體化溫度的選擇對微合金元素能否發(fā)揮其特性，提高鋼的性能起到關(guān)鍵作用[2]。而材料不同的冷卻方式和冷卻速度對產(chǎn)品最終組織和性能卻產(chǎn)生決定性的影響，因此微合金鋼冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律的研究顯得尤為重要[3]。通過對鋼的CCT曲線測繪，可以直觀了解到冷卻速度對應(yīng)的組織及硬度關(guān)系。CCT曲線對實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)微合金鋼的組織及性能控制具有重要意義。

本文利用瑞典皇家工學(xué)院研發(fā)的Thermo-Calc熱力學(xué)軟件對實(shí)驗(yàn)鋼含鈮碳氮化物的平衡相進(jìn)行計(jì)算，為合理制定實(shí)驗(yàn)鋼奧氏體化溫度提供理論依據(jù)，所用數(shù)據(jù)庫為TCFE7鐵基數(shù)據(jù)庫[4-5]。計(jì)算實(shí)驗(yàn)鋼含鈮碳化物的溶解溫度，并采用金相-硬度法研究實(shí)驗(yàn)鋼連續(xù)冷卻過程中的相變規(guī)律，繪制CCT曲線，為Nb-V微合金鋼熱處理工藝和軋制工藝的制定提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼化學(xué)成分為0.24C-1.48Mn-0.61Si-0.065Cr-0.0053V-0.023Nb-0.0047N。在DIL805熱膨脹儀上進(jìn)行膨脹曲線測定，實(shí)驗(yàn)加熱和保溫階段均在真空下進(jìn)行，冷卻階段在氬氣保氛圍下進(jìn)行，其試樣尺寸為 4mm×10mm。采用切線法及金相-硬度法相結(jié)合的方式確定實(shí)驗(yàn)鋼的CCT 曲線[2， 6-7]。

將不同冷速下的試樣研磨、拋光后，用4%硝酸乙醇溶液以體積分?jǐn)?shù)刻蝕試樣表面，采用Zeiss金相顯微鏡和ULTRA 55場發(fā)射掃描電鏡分析樣品發(fā)生轉(zhuǎn)變后的微觀結(jié)構(gòu)，顯微硬度計(jì)測定不同移行組織的維氏硬度值，用Origin 8.0 繪制實(shí)驗(yàn)鋼CCT曲線[8]。

2 奧氏體化溫度確定

實(shí)驗(yàn)鋼基體組織中存在高溫析出物，為確?；w組織完全奧氏體化，且防止奧氏體晶粒過于粗大，采用Thermo-Calc熱力學(xué)軟件對高溫析出溫度范圍進(jìn)行模擬，確定合理的奧氏化溫度。圖1是氮化物的溶度積方程曲線。由圖1可知，在相同溫度下，NbN優(yōu)先于VN析出。這表明在二次加熱過程中高溫階段NbN的穩(wěn)定性高于VN。同時(shí)，NbN化物的存在在一定程度上起到阻止奧氏體晶粒長大的作用[9]。

為確定Nb（C， N）的固溶溫度范圍，借助Thermo-Calc熱力學(xué)軟件對此進(jìn)行模擬，如圖2所示。由圖2（a）可知，Nb（C， N）完全固溶溫度為1150 ℃，且在1000 ℃以上固溶速率較大，隨溫度的升高固溶速率和固溶量逐漸增大。由圖2（b）可知，V（C， N）完全固溶溫度較低約830 ℃。

根據(jù)Nb（C， N）析出溫度模擬的結(jié)果，為保證實(shí)驗(yàn)鋼完全奧氏體化，又防止奧氏體晶粒粗大，因此本試驗(yàn)選擇的奧氏體化溫度為1100 ℃，且采用短時(shí)加熱。

3 CCT曲線的測定與分析

3.1 熱膨脹試驗(yàn)工藝設(shè)計(jì)

具體試驗(yàn)工藝如圖3所示，首先將試樣從室溫以速度10 ℃ /s 加熱到1100 ℃，保溫10 min，然后以10 ℃/s的速度冷卻至1000 ℃，以20 ℃/s的速度冷卻至900 ℃，隨后以不同冷卻速度冷卻至室溫。冷卻速度分別取0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、8.0、10.0、20.0、30.0 ℃/s。用切線法處理膨脹曲線，在膨脹曲線上發(fā)生偏離切線的溫度點(diǎn)即為新相轉(zhuǎn)變開始溫度或終了溫度，然后用Origin 8.0 繪制CCT曲線。

3.2 顯微組織及硬度測定

圖4為實(shí)驗(yàn)鋼在不同冷卻速率下的微觀結(jié)構(gòu)圖片。從圖4（a）中可以看出，在冷卻速度為0.1 ℃/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織為先共析鐵素體+珠光體，表明僅發(fā)生先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變。在0.5 ℃/s冷卻速度時(shí)，如圖4（b）所示，實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織中開始生成晶粒細(xì)小貝氏體組織，形貌近似平行針狀且含量較少。當(dāng)冷速1～4 ℃/s范圍時(shí)，冷卻時(shí)在高溫區(qū)發(fā)生先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，貝氏體相變發(fā)生在中溫區(qū)域，且先共析鐵素體以網(wǎng)狀形式存在，實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織為網(wǎng)狀先共析鐵素體、精細(xì)的珠光體、羽毛狀貝氏體的混合組織，如圖4（c）至（d）所示。當(dāng)冷卻速度達(dá)到4 ℃/s時(shí)，冷卻過程中開始發(fā)生馬氏體組織轉(zhuǎn)變，如圖4（e）所示。這是因?yàn)橄裙参鲨F素體及貝氏體組織生成后碳元素會(huì)向周圍未轉(zhuǎn)變奧氏體組織中遷移，導(dǎo)致奧氏體中碳含量升高，使其穩(wěn)定性提高而保留下來，隨著溫度的持續(xù)降低，達(dá)到馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間后開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變;冷卻速度大于4.5 ℃/s時(shí)，從組織圖片中可以看出實(shí)驗(yàn)鋼冷卻過程中同時(shí)發(fā)生貝氏體組織和馬氏體組織轉(zhuǎn)變，且存在極少量的先共析鐵素體，珠光體組織基本消失，且隨著冷卻速度增加，貝氏體轉(zhuǎn)變量呈逐漸減少趨勢，馬氏體量呈逐漸增多趨勢，如圖4（h）～（j）所示。

圖5為實(shí)驗(yàn)鋼不同冷速下的SEM組織形貌。圖5（a）為冷卻速度為1 ℃/s時(shí)的鐵素體+珠光體組織，可以明顯觀察到珠光體組織的分層結(jié)構(gòu)。當(dāng)冷速增加至0.5 ℃/時(shí)，可在圖5（b）中觀察到細(xì)小的貝氏體組織。當(dāng)冷速增加至30 ℃/s時(shí)，圖5（c）中可見，在馬氏體結(jié)構(gòu)中存在少量貝氏體。

圖6為實(shí)驗(yàn)鋼硬度隨冷速變化的關(guān)系曲線趨勢圖，從趨勢圖可以明顯看出，隨著冷卻速度的增加，宏觀硬度呈逐漸增大趨勢，且在不同冷速范圍內(nèi)增大趨勢不同，當(dāng)冷卻速度達(dá)到一定值后，硬度增加趨于平穩(wěn)。當(dāng)冷卻速度在0.1～0.5 ℃/s時(shí)，硬度范圍為80～109 HV，即使在0.5 ℃/s有少量貝氏體組織存在，但由于貝氏體含量較少，鐵素體組織起主導(dǎo)作用。當(dāng)冷卻速度在0.5～1 ℃/s 時(shí)，硬度值增幅較大。因?yàn)殡S著提高冷卻速率，前共析鐵素體含量逐漸降低，同時(shí)貝氏體含量的明顯增多提高了組織宏觀硬度。當(dāng)卻速度在1～4 ℃/s 范圍內(nèi)，硬度為213～271 HV，在該冷速范圍內(nèi)貝氏體含量逐漸增大，但未出現(xiàn)馬氏體組織，硬度增加幅度平穩(wěn)。當(dāng)冷卻速度大于4 ℃/s，已經(jīng)觀察到馬氏體組織，硬度值再次出現(xiàn)增幅，這源于硬相組織馬氏體含量逐漸增多對硬度的提高起主導(dǎo)作用[7-8]。

3.3 CCT曲線繪制

采用切線法測定曲線相變點(diǎn)，其中實(shí)驗(yàn)鋼的Ac1、Ac3 及Ms溫度分別為754 ℃、847 ℃和377 ℃。通過對試驗(yàn)鋼金相顯微組織和硬度的測定同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)鋼熱膨脹曲線綜合繪制出CCT曲線，如圖7所示[10]。可以看出，實(shí)驗(yàn)鋼奧氏體狀態(tài)下在不同速度連續(xù)冷卻過程中發(fā)生了不同的組織轉(zhuǎn)變，包含鐵素體轉(zhuǎn)變、珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變4種轉(zhuǎn)變。從圖7中可以看出，珠光體、貝氏體組織的轉(zhuǎn)變趨勢是：轉(zhuǎn)變開始溫度均隨冷卻速度的增大而降低。并且隨著冷卻速度的增大，室溫下顯微組織中珠光體、貝氏體轉(zhuǎn)變含量均呈現(xiàn)先增后減的趨勢。相反馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度隨冷速的逐步增大而呈升高的趨勢，且當(dāng)冷卻速度超過30 ℃ /s 時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變趨于穩(wěn)定，且Ms線穩(wěn)定在377 ℃左右，室溫組織為少量貝氏體和馬氏體的混合組織。

3 結(jié)語

（1）在Thermo-Calc熱力學(xué)軟件結(jié)果的基礎(chǔ)上，選擇本實(shí)驗(yàn)的奧氏體化溫度為1100 ℃。

（2）采用膨脹法和金相-硬度法測得實(shí)驗(yàn)鋼的CCT 曲線，確定其臨界相變點(diǎn)為Ac1 = 847 ℃，Ac3 = 754 ℃，Ms = 377 ℃。

（3）當(dāng)冷速小于0.5 ℃/s時(shí)，得到先共析鐵素體和珠光體組織。隨冷速增加至0.5 ℃/s，出現(xiàn)貝氏體組織。當(dāng)冷速增加至4 ℃/s，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中出現(xiàn)馬氏體組織。

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