陳 鳴，李青春，劉 偉，常國威，陳淑英

碳含量對納米貝氏體組織形成的影響

陳 鳴，李青春，劉 偉，常國威，陳淑英

（遼寧工業(yè)大學 材料科學與工程學院，遼寧 錦州 121001）

納米貝氏體鋼作為最具有發(fā)展前景的超高強韌性鋼，具有高強度、延展性和斷裂韌性。通過SEM、XRD和拉伸試驗等方法，研究了碳含量對納米貝氏體鋼組織與性能的影響。結果表明：隨著碳含量的增加，試驗鋼中塊狀殘余奧氏體的含量隨之增高，薄膜狀殘余奧氏體厚度變薄。薄膜狀殘余奧氏體含量越多，抗拉強度、延伸率和強塑積越好。

碳含量；納米貝氏體；殘余奧氏體

納米結構貝氏體鋼是屬于新一代先進的高強、高韌性鋼，相比于傳統(tǒng)結構鋼，力學性能有所提高，具有強度、韌性和斷裂韌性的最高結合[1-4]。納米貝氏體鋼優(yōu)異的力學性能離不開組織中納米貝氏體鐵素體和薄膜狀殘余奧氏體（以下簡稱殘奧）的作用。目前，國內(nèi)外許多學者對鋼中元素作用進行了研究。王克魯?shù)萚5]研究B元素對貝氏體鋼組織和性能的影響發(fā)現(xiàn)，加入B元素的貝氏體鋼屈服強度、抗拉強度及延伸率都有明顯的提高。桂曉露等[6]通過研究貝氏體鋼中Cr元素含量對其轉變規(guī)律的影響發(fā)現(xiàn)，Cr含量的提高影響了貝氏體轉變溫度區(qū)間，使組織中發(fā)現(xiàn)了“柳葉狀”的下貝氏體組織。Garcia等[7]通過向高碳鋼中添加Co和Al發(fā)現(xiàn)，合金的顯微組織細化，貝氏體鐵素體的體積分數(shù)增大，硬度提高。C含量對殘余奧氏體的力學穩(wěn)定性有重要影響，本文研究了不同C含量對納米貝氏體鋼組織與性能的影響，為下步工作提供理論支持。

1 實驗材料與方法

采用中頻真空感應爐熔煉成分為Fe-x C-0.45 Mn-2.5 Si-0.78 Al（質量分數(shù)，%）的試驗鋼，具體成分如表1所示。鋼錠在1 200 ℃保溫24 h進行成分均勻化退火。將試樣加熱到950 ℃保溫20 min，迅速放入250 ℃鹽浴爐內(nèi)，保溫10 h后，在空氣中冷卻至室溫。熱處理后的試樣通過切割、打磨、拋光后，用4%的硝酸酒精腐蝕。利用Sigma500掃描電子顯微鏡進行組織觀察，采用D/max-2500/PC XRD進行物相分析，使用CMT-5305型微機控制電子萬能試驗機進行拉伸試驗。采用直線截點法測量殘奧晶粒尺寸。

表1 3種實驗鋼化學成分及質量分數(shù)表 %

CCrMnSiAlMoCo 0.6400.452.50.7800 0.8100.452.50.7800 0.9300.452.50.7800

2 實驗結果與分析

2.1 碳含量對納米貝氏體組織的影響

圖1為Fe-x C-0.45 Mn-2.5 Si-0.78 Al鋼的熱處理后掃描電鏡組織。可以看出（a），（b），（c）熱處理組織均為納米貝氏體，即由黑色條狀的貝氏體鐵素體（BF）和亮白色殘奧（RA）組成的混合組織，殘奧的形貌有薄膜狀和塊狀2種[8]。3種含碳量不同的實驗鋼中薄膜狀殘奧的占比分別20.16%、10.12%、21.00%。由圖（a）可知（含碳量0.64%）薄膜狀殘奧（Film RA）的厚度主要在400 ～1 000 nm之間。碳含量為0.81%的試驗鋼中殘奧層厚變細，厚度在200 ～600 nm范圍。與圖（a）和圖（b）相比，碳含量為0.93%的試驗鋼中，貝氏體鐵素體條變得更加細長，厚度基本在100～200 nm之間，同時塊狀殘奧的含量增加，尺寸增大。分析認為：隨著碳含量的增加，薄膜狀殘余奧氏體厚度逐漸變薄。在貝氏體轉變孕育期，當鋼中碳含量增加，在轉變過程中碳更容易鐵素體中擴散，鐵素體之間的奧氏體中容易形成分布更為密集的富碳區(qū)，又因為鋼中的Si、Al元素具有延緩滲碳體沉淀的作用，所以產(chǎn)生更細的貝氏體鐵素體和薄膜狀殘奧。塊狀殘奧的形成主要是因為碳含量的增加，又使碳在奧氏體中的擴散速度增大，奧氏體的長大速度增大。塊狀殘奧的形成主要是因為碳含量的增加，C曲線左移，試樣孕育期變短，碳的不均勻擴散使試樣中出現(xiàn)富碳區(qū)，因此塊狀殘奧數(shù)量變多。

2.2 碳含量對殘奧數(shù)量的影響

圖2為不同含碳量的試驗鋼經(jīng)等溫鹽浴淬火后測得的XRD圖譜。由圖2所示，可以看出，不同碳含量的試驗鋼熱處理后的組織均由體心立方相和面心立方相組成。經(jīng)標定后峰值為（110）、（200）、（211）、（111）、（200）、（220）、（311），其中（110）為α峰的強峰；（111）為γ峰的強峰。計算出含碳量分別0.64%、0.81%、0.93%的實驗鋼中殘奧的含量分別為30.25%、20.25%、31.51%。分析認為碳含量為0.64%時，試驗鋼中含有大量的厚片層殘奧，導致殘奧的含量較多。碳含量為0.93%時，盡管薄膜狀殘奧厚度較薄，但是碳含量的增加使塊狀殘奧增多，導致殘奧的含量總體上高于碳含量為0.64%的實驗鋼。只有含碳量為0.81%時，由于薄膜狀殘奧較細，塊狀殘奧含量較少、尺寸較小，因此殘奧的含量最低。

圖2 不同碳含量納米貝氏體鋼的XRD圖

2.3 碳含量對力學性能的影響

圖3為不同碳含量試驗鋼的拉伸曲線圖，具體性能見表2。圖3中比較碳含量為0.64%，0.81%，0.93%試驗鋼的性能發(fā)現(xiàn)強度和延伸率與殘余奧氏體含量和形貌有關。碳含量增加使得貝氏體鐵素體中碳的過飽和度增大，固溶強化效果愈顯著，從而導致強度增大。而塑性主要取決于薄膜狀殘余奧氏體，殘余奧氏體會產(chǎn)生TRIP效應，并在拉伸過程中增加鋼的強度和塑性[9]。碳含量增加使得殘余奧氏體穩(wěn)定性變大[10]。

圖3 不同碳含量納米貝氏體鋼的拉伸曲線圖

表2 不同碳含量納米貝氏體鋼的力學性能

含碳量/%殘奧含量/%殘奧中碳含量/%延伸率/%抗拉強度/MPa強塑積/MPa·% 0.6430.251.2110.00223022300 0.8120.251.818.80176015488 0.9331.511.4210.80223024084

由圖4可以觀察到大量不同尺寸的韌窩和撕裂邊。這表明這些區(qū)域的材料經(jīng)歷了相當大的塑性變形。含碳量不同的納米貝氏體鋼的斷口由解理面和一部分韌窩組成，對比圖中（a）、（b）和（c）可知，斷口中韌窩的含量與含碳量有直接的關聯(lián)。碳含量為0.64%和0.93%的兩種實驗鋼中的韌窩形貌和數(shù)量基本相同，含碳量為0.81%的實驗鋼中可以看見明顯的解理斷裂，這些結果與實驗所獲得的力學性能數(shù)據(jù)相契合。

圖4 不同碳含量納米貝氏體鋼的拉伸斷口

3 結論

研究了碳含量對殘余奧氏體的影響，對通過相同熱處理工藝的具有不同化學成分的鋼進行了相同的實驗測試。主要發(fā)現(xiàn)的結論如下：

(1)碳含量為0.64%的實驗鋼中組織厚度相對較大，不易形成納米貝氏體。當含碳量為0.81%時，殘余奧氏體的尺寸變小。碳含量達到0.93%時，塊狀殘余奧氏體的數(shù)量遠遠大于含碳量為0.64%，0.81% 2種實驗鋼，由于碳含量增多，組織中更容易形成塊狀殘奧。

(2)碳含量為0.64%的實驗鋼中薄膜狀殘奧和總體殘奧分別為20.16%、30.25%；碳含量為0.81%的實驗鋼中為10.12%、20.25%；碳含量為0.93%的實驗鋼中為21.00%、31.51%。

(3)碳含量為0.64%、0.81%、0.93%的三種實驗鋼抗拉強度和延伸率分別為2 230 MPa、10%； 1 760 MPa、8.8%；2 230 MPa、10%。這是由于抗拉強度和延伸率與薄膜狀殘奧含量有關，含量增加，兩種性能均提高。

[1] Garicia-Mateo C, Caballero F G, Bhadeshia H. Development of Hard Bainite[J]. Isij International, 2007, 43(8): 1238-1243.

[2] Caballero F G, Miller M K, Babu S S, et al. Atomic scale observations of bainite transformation in a high carbon high silicon steel[J]. Acta Mater, 2007, 55: 381-390.

[3] Caballero F G, Miller M K, Garcia–Mateo, C. Carbon supersaturation of ferrite in a nanocrystalline bainitic steel[J]. Acta Mater, 2010, 58: 2338-2343.

[4] Garcia-Mateo C, Caballero F G, Bhadeshia H K D H. Development of hard bainite[J]. ISIJ Int, 2003, 43: 1238-1243.

[5] 王克魯, 魯世強, 康永林, 等. 硼對高強度低碳貝氏體鋼組織和性能的影響[J]. 金屬熱處理, 2009, 34(3): 6-9.

[6] 桂曉露, 劉蓉, 高古輝, 等. Cr元素對貝氏體鋼連續(xù)轉變規(guī)律的影響[J]. 材料熱處理學報, 2016, 37(10): 154-158.

[7] Garcia-Mateo C, Caballero F G, Bhadeshia H K D H. Acceleration of low-temperature bainite[J]. Isij International, 2003, 43(11): 1821-1825.

[8] 劉偉. 超細貝氏體鋼組織與性能的研究[D]. 錦州: 遼寧工業(yè)大學, 2016.

[9] Tomota Y, Tokuda H, Adachi Y, et al. Tensile behavior of TRIP-aided multi-phase steels studied by in situ neutron diffraction[J]. Acta Mater, 2004, 52: 5737-5745.

[10] 陳曉男. 新型貝氏體轍叉心軌組織、性能研究[D]. 成都:西華大學, 2008.

Effect of Carbon Content on the Formation of Nano-Bainite Structure

CHEN Ming, LI Qing-chun, LIU Wei, CHANG Guo-wei, CHEN Shu-ying

（School of Materials Science and Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

Nano-bainite steel, as the most promising ultra-high strength and ductile steel, has high strength, ductility and fracture toughness. The effect of carbon content on microstructure and properties of nano-bainite steel was studied by SEM, XRD and tensile test. The results show that with the increase of carbon content, the content of massive residual austenite increases and the thickness of thin film residual austenite becomes thinner. The higher the content of residual austenite is, the better the tensile strength, elongation and strong plasticity become.

carbon content; Nano-bainite; retained austenite

10.15916/j.issn1674-3261.2022.03.005

TG142

A

1674-3261(2022)03-0160-04

2021-07-03

陳 鳴(1994-)，男，遼寧凌源人，碩士生。

李青春(1972-)，女，遼寧錦州人，教授，博士。

責任編輯：劉亞兵