不同类型的贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响

机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第 45 卷第 12 期 2009 年 12 月 Vol.45 No.12 Dec. 2 0 0 9 DOI：10.3901/JME.2009.12.284 不同类型的贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响* 于庆波 1 孙 莹 1 倪宏昕 1 张凯锋 2 (1. 徐州学院机电工程学院 徐州 221008； 2. 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院 哈尔滨 150001) 摘要：低碳贝氏体钢是高强度、高韧性、多用途的新型钢种，它的出现是社会需求和现代冶金技术发展的必然结果。目前， 低碳贝氏体钢已经在工程机械上得到广泛应用。然而，实际生产中得到的低碳贝氏体钢并不是由单一贝氏体组织组成，往往 是多种显微组织并存，因此并不能直接体现钢的力学性能与贝氏体组织之间的对应关系。针对这一情况，以低碳 Mn-B-Cr-Mo-Nb 钢为研究对象，在国内某钢铁公司进行控轧控冷试验。通过对终冷温度的控制，分别得到由全部粒状贝氏 体，全部板条贝氏体以及粒状贝氏体+板条贝氏体组成的 3 种不同类型的低碳贝氏体钢。经过对这 3 种不同类型的贝氏体钢 进行拉伸和冲击试验后发现：在化学成分相同的条件下，粒状贝氏体钢的强度最低，韧塑性最好；板条贝氏体钢板的强度最 高，韧塑性最差；由粒状贝氏体+板条贝氏体组成的钢，其强度、韧塑性居中。由此可知，终冷温度对热轧钢板的显微组织 和力学性能影响很大，通过对中温转变组织的控制，就可以进一步提高低碳贝氏体钢的综合力学性能。 关键词：板条贝氏体 粒状贝氏体 M/A 岛 低碳贝氏体钢 中图分类号：TG155 Effect of Different Bainitic Microstructures on the Mechanical Properties of Low-carbon Steel YU Qingbo1 SUN Ying1 NI Hongxin1 ZHANG Kaifeng2 (1. Mechanical and Electronic Engineering College, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221008; 2. School of Materials Science & Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001) Abstract：Low-carbon bainitic steel is a new type steel with high strength, high toughness and multiple uses, its emergency is an inevitable result of social demand and the development of modern metallurgical technology. At present, the low-carbon bainitic steel is extensively used in construction machinery. However, the low-carbon bainitic steel is usually composed of several kinds of microstructures, so the corresponding relation between the mechanical performances of the steel and bainite structure cannot be directly reflected. In view of this situation, controlled rolling and cooling experiments of low-carbon Mn-B-Cr-Mo-Nb steel are carried out in a domestic iron and steel corporation. By the control of final cooling temperature, three low-carbon bainitic steels with different microstructure are obtained. They are respectively composed of granular bainite, lath bainite, and granular bainite + lath bainite. After tensile and impact tests，the results indicate that under the condition of identical chemical composition, the granular bainitic steel is the lowest in strength and is the best in toughness and plasticity, the lath bainitic steel is the highest in strength and is the weakest in toughness and plasticity, and the steel composed of granular bainite and lath bainite is medium in strength, toughness and plasticity. So it can be known that the final cooling temperature plays an important role in microstructure and mechanical performances of hot rolled plate. Accordingly, the comprehensive mechanical performances of low-carbon bainitic steel can be further improved by the control of medium-temperature transformation microstructure. Key words：Lath bainite Granular bainite M/A island Low-carbon bainitic steel 0 前言 近年来，低碳高强钢得到了快速发展，尤其是 * 江苏省高校自然科学研究(08KJD460012)和江苏省高校“青蓝工 程”资助项目。20081205 收到初稿，20090630 收到修改稿 700 MPa 以上级别的高强钢板更是在工程机械、煤 矿机械中得到广泛应用[1-4]。这种钢板的特点是强 度高、低温韧性好、冷弯和焊接性能优良，而传 统的铁素体—珠光体钢强度极限水平仅为500～ 550 MPa，马氏体淬火回火钢的强度虽然很高，但 它高强度是以牺牲韧性和焊接性为代价的，其强度、 月 2009 年 12 月 于庆波等：不同类型的贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响 285 韧性、焊接性能之间的矛盾难以解决，因此它们正 逐渐被低碳贝氏体钢所取代。低碳贝氏体钢的特点 是碳的质量分数低(wC＜0.07%)，正因为钢中的碳的 质量分数低，所以热轧后的钢板在进行层流冷却时， 就不会发生过冷奥氏体向铁素体与渗碳体的两相分 解，奥氏体将直接转变成各种形态的铁素体，并留 下少量富碳的残余奥氏体[5-8]。由于这类钢的碳的质 量分数已很低，并且无渗碳体生成，因此钢的韧性 极佳。其次，由于碳的质量分数被大幅度降低，所 以钢的强度不再依赖碳的质量分数的多少，而是依 赖贝氏体组织中的位错以及 Nb、V、Ti 析出来的碳 氮化物来提高钢的强度。因此，低碳贝氏体钢是高 强度、高韧性且焊接性能良好的钢种[9-13]。 但是，随着钢中碳的质量分数的降低，低碳贝 氏体钢的微观形貌已不再是传统的上贝氏体、下贝 氏体，而是粒状贝氏体、板条贝氏体。然而，实际 生产中得到的低碳贝氏体钢并不只是由单一贝氏体 组织组成，往往是多种显微组织并存，因此很难定 量地研究某一类型的贝氏体组织对钢的力学性能的 影响。因此，本文以 Mn-B-Cr-Mo-Nb 低碳钢为研究 对象，在国内某钢铁公司进行了控轧控冷试验。通 过对终冷温度的控制，制备出由全部的粒状贝氏体， 全部的板条贝氏体以及粒状贝氏体+板条贝氏体组 成的3种不同类型的低碳贝氏体钢，并对不同类型的 贝氏体组织对钢的力学性能的影响进行了研究，该 研究对深入探讨低碳贝氏体钢的组织、工艺及性能 之间的内在关系具有重要意义。 1 试验方法和试验 1.1 试验方法 试验钢的化学成分(质量分数)：wC=0.06%， wMn=1.74%，wSi=0.26%，wCr=0.18%，wMo=0.16%， wB=0.002%，wNb=0.052%，wP=0.011%，wS=0.002%。 主要工艺流程为：铁水预处理→120 t 转炉冶炼→炉 外精炼(钢包吹氩埋弧精炼+钢包真空吹氩，Ca 处 理)→连铸→板坯加热→炉卷轧机轧制→层流冷却 →热矫直→冷床冷却(图 1)。 图 1 工艺流程示意图 1.2 试验方案 试验钢的连铸板坯厚度是 210 mm，板坯加热 温度为 1 200～1 220 ℃，控制轧制分为两个阶段。 第一阶段为奥氏体再结晶区轧制，此阶段粗轧开始 温度为 1 050 ℃，在该温度下轧制可以使奥氏体晶 粒发生动态再结晶而使晶粒细化，再结晶区共轧 5 道，道次压下率大于 15%。第二阶段为奥氏体未再 结晶区轧制阶段，此阶段开始轧制温度为 950 ℃， 该温度下轧制可以使奥氏体晶粒压扁，而且在被压 扁的奥氏体晶粒内部会形成高密度位错，使相变后 的组织细化可以提高奥氏体晶粒的形变储存能，此 阶段共轧 6 道，道次压下率大于 10%，终轧温度为 820 ℃。钢板经过控制轧制后进入层流冷却区进行 冷却，冷却速度为 12 ℃/s，终冷温度分别为 500 ℃、 450 ℃和 300 ℃。 2 试验结果与讨论 2.1 力学性能 采用上述控轧控冷工艺进行工业试轧后，对钢 板的力学性能进行了。拉伸试样沿钢板横向截 取获得，低温冲击温度是–20℃，力学性能测试结果 见下表。由测试结果可知，在化学成分、加热温度、 终轧温度、冷却速度等工艺参数相同的条件下，不 同的终冷温度对钢板的力学性能产生显著的影响。 在强度方面，随着终冷温度的降低，钢板的屈服、 抗拉强度都得到明显提高；在韧塑性方面，钢板的 伸长率和冲击吸收功都随着终冷温度的降低而 降低。 表 工业试验钢板的力学性能 终冷温度 θ/℃ 屈服强度 σ0.2/MPa 抗拉强度 σb /MPa 伸长率 δ5/% 纵向冲击吸 收功 Akv/J 500 670 815 12 170 450 720 865 11 150 300 860 1 030 9 70 2.2 显微组织 金相试样取自钢板的中间部位，研磨面与轧制 方向平行，经研磨、抛光后，用 4%的硝酸酒精溶 液腐蚀，经 Axiovert 200 光学显微镜和 FEI Quanta 200 扫描电镜观察发现：终冷温度为 500 ℃的钢板， 其显微组织全部由粒状贝氏体组织组成；终冷温度 为 450 ℃的钢板，它的显微组织是由粒状贝氏体+ 板条贝氏体共同组成；终冷温度为 300 ℃的钢板， 其显微组织全部是由板条贝氏体组成。还可以看出， 该 Mn-B-Cr-Mo-Nb 系钢具有较高的淬透性，因此在 冷却过程中没有形成先共析铁素体和珠光体，所得 到的显微组织全部是贝氏体组织。贝氏体组织是中 温转变产物，它的形成温度区域是在珠光体形成温 度以下、马氏体形成温度以上。但是贝氏体组织具 有多样性，在其形成温度范围内，会由于转变温度 机 械 工 程 学 报 第 45 卷第 12 期期 286 的不同而形成不同类型的贝氏体组织。 图 2 是终冷温度为 300 ℃热轧板的光学显微组 织，由图 2a 可以看出，该组织属于典型的板条贝氏 体组织。由于终轧温度是 820 ℃，属于未再结晶区 轧制，因此原奥氏体晶粒被压扁成饼状(图 2b)，而 且原奥氏体晶界依稀可见，并在压扁的奥氏体晶粒 内部形成板条束。由于贝氏体板条束是大角度界面， 所以通过扫描电镜能够分辨出板条束的取向(图 2b 中的 A 区、B 区是代表不同取向的板条束)。同时， 板条束中的铁素体板条很细而且是小角度界面，所 以在光学显微镜下只能隐约观察到板条轮廓，但是 在透射电镜下能够比较清晰地观察到铁素体板条 (图 2c)。另外，板条贝氏体的一个重要特征是，M/A 岛颗粒细小而且排列有序，其排列方向大体与板条 铁素体平行(图 2b)。由于板条贝氏体形成温度低， 因此它的板条铁素体宽度只有 0.5 μm，而且铁素体 板条中有大量高密度位错，所以它的屈服强度为 860 MPa，抗拉强度为 1 030 MPa，在 3 个试验钢板 中强度最大。然而，板条贝氏体高的位错密度和平 行排列的铁素体板条却增大了位错运动的阻力，限 制了位错的滑移，使板条贝氏体钢的塑性降低。此 外，由于板条贝氏体钢板中的 M/A 岛颗粒排列趋于 直线，容易成为裂纹扩展的路径而导致钢的韧性降 低。所以在 3 个试验钢板中，板条贝氏体钢的塑性、 低温韧性最差。 图 3a 是终冷温度为 500 ℃热轧板的光学显微 组织，由于终冷温度相对较高，热轧板在层流冷却 及空冷过程中，过冷奥氏体全部转变为粒状贝氏体 组织。与板条贝氏体相比，粒状贝氏体的形成温度 稍高，因此粒状贝氏体中的铁素体能够在较高温度 下发生回复，导致其板条特征不如板条贝氏体明显。 由图 3c 可见，粒状贝氏体中的铁素体亚结构不 呈板条状，而是近似呈等轴状，另外，粒状贝氏体 中的M/A岛无序地分布在铁素体基体上(图 3a、3b)， 由于形成温度高于板条贝氏体，所以粒状贝氏体中 的 M/A 岛颗粒也更为粗大(图 3b)。因为粒贝铁素体 (a) (b) (c) 图 2 终冷温度为 300 ℃钢板的显微组织 (a) (b) (c) 图 3 终冷温度为 500 ℃钢板的显微组织 月 2009 年 12 月 于庆波等：不同类型的贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响 287 尺寸大、位错密度低，所以粒状贝氏体钢的强度明 显低于板条贝氏体钢，屈服强度只有 670 MPa，抗 拉强度只有 815 MPa。但是，这种近等轴状且位错 密度低的铁素体具有良好的塑性，而且粒状贝氏体 中的 M/A 岛呈无序排列，可以延缓裂纹的快速扩 展。所以粒状贝氏体钢在 3 个试验钢板中的塑性、 低温韧性最好。 当热轧板的终冷温度为 450 ℃，介于 500 ℃、 300 ℃之间时，其显微组织为粒状贝氏体+板条贝氏 体的混合组织(图 4a、4b)，表明过冷奥氏体在冷却 过程中同时经过了粒状贝氏体和板条贝氏体两个转 变区域。因为材料的组织决定着材料的性能，所以， 这个既有粒状贝氏体组织又有板条贝氏体组织的热 轧板，其屈服强度、抗拉强度、塑性和韧性必然居 于板条贝氏体钢与粒状贝氏体钢之间。 图 4 终冷温度为 450 ℃钢板的显微组织 综上可知，终冷温度对热轧钢板最终的显微组 织和力学性能影响很大，其中，板条贝氏体组织可 以显著地提高钢的强度，而粒状贝氏体组织的韧性 和塑性要强于板条贝氏体。因此，通过控制终冷温 度，调整钢中的板条贝氏体和粒状贝氏体组织所占 的比例，进而可以获得综合力学性能更加优良的高 强钢板。 3 结论 (1) 在化学成分相同而类型不同的三种贝氏体 钢中，板条贝氏体钢的强度最大，粒状贝氏体钢强 度最小，而板条贝氏体+粒状贝氏体钢的强度居中。 因此，与粒状贝氏体组织相比，板条贝氏体对低碳 钢的强化作用更大。 (2) 板条贝氏体组织形貌的主要特征是，铁素 体板条细长且具有高密度位错，M/A 岛颗粒细小且 排列有序，而且 M/A 岛颗粒排列方向大体与板条铁 素体平行。 (3) 终冷温度对热轧钢板最终的显微组织和力 学性能影响很大，通过对中温转变组织的有效控制， 就可以进一步提高低碳贝氏体钢的综合力学性能。 参 考 文 献 [1] 陈忠伟，张玉柱，杨林浩. 低碳贝氏体钢的研究现状与 发展前景[J]. 材料导报，2006，20(10)：84-86. 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