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粒状贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响

2011-01-17 4页 pdf 543KB 50阅读

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粒状贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响 � 第 43卷 � 第 7期 � 2 0 0 8 年 7 月 钢 铁 Iron and Steel � Vo l. 43, No. 7 July � 2008 粒状贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响 于庆波1, � 段贵生2 , � 孙 � 莹1 , � 赵贤平2 , � 王 � 斌2 ( 1. 徐州工程学院机电学院, 江苏 徐州 221008; � 2. 安阳钢铁集团公司技术中心, 河南 安阳 455004) 摘 � 要: 在化学成分相同的条件下, 分别研究了粒状贝氏体、铁素体�珠光体对低碳合金钢强度、塑性、冲击韧性...
粒状贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响
� 第 43卷 � 第 7期 � 2 0 0 8 年 7 月 钢 铁 Iron and Steel � Vo l. 43, No. 7 July � 2008 粒状贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响 于庆波1, � 段贵生2 , � 孙 � 莹1 , � 赵贤平2 , � 王 � 斌2 ( 1. 徐州工程学院机电学院, 江苏 徐州 221008; � 2. 安阳钢铁集团公司技术中心, 河南 安阳 455004) 摘 � 要: 在化学成分相同的条件下, 分别研究了粒状贝氏体、铁素体�珠光体对低碳合金钢强度、塑性、冲击韧性的 影响。结果表明:低碳粒状贝氏体钢比铁素体�珠光体钢具有更高的强度和冲击韧性 ,而且粒状贝氏体组织对钢的 强化方式不仅仅是细晶强化和位错强化,弥散强化也是强化方式之一。 关键词: 粒状贝氏体; 铁素体�珠光体; 冲击韧性; 弥散强化 中图分类号: TG142. 4� � 文献标识码: A � � 文章编号: 0449�749X ( 2008) 07�0068�04 Effect of Granular Bainite on Mechanical Properties of Low�Carbon Steel YU Qing�bo1 , � DUAN Gui�sheng2 , � SUN Ying 1 , � ZHAO Xian�ping2 , � WANG Bin2 ( 1. Mechanical and Electr onic Department, Xuzhou Institute o f Techno log y, Xuzhou 221008, Jiang su, China; 2. T echnolog y Center , Anyang I ron and Steel G roup Corp. , Anyang 455004, Henan, China) Abstract: The effect of gr anular bainite, fer rite�pearlite on the str eng th, ductilit y and toughness of low�carbon steel was investig ated. The results indicate that the st reng th and toughness o f low�carbon g ranular bainite steel ar e higher than that o f fer rite�pear lite steel. And for g ranular bainite steel, not only gr ain r efinement and dislocation strengthe� ning, but also disper sion strengthening ar e effective. Key words: g r anular ba inite; fer rit e� pear lite; impact toughness; dispersion str eng thening 作者简介: 于庆波( 1970�) , 男, 博士, 副教授; � � E�mail: yuqb1970@ sin a. com; � � 修订日期: 2008�03�03 � � 近年来,由于 T MCP 工艺的采用, 使低碳钢和 超低碳钢的显微组织往往会出现等轴铁素体( PF)、 准多边形铁素体 ( QF)、珠光体 ( P )、粒状贝氏体 ( GB)和板条贝氏体( LB)等不同种类的组织[ 1~ 3] , 因 此,钢板的力学性能也就由这些组织共同决定,而且 在这些组织中以粒状贝氏体组织最为常见, 粒状贝 氏体是在高密度位错的铁素体基体上, 弥散分布着 由马氏体和残余奥氏体组成的小岛,这些小岛通称 为 M�A 岛( martensite�austenite island) ,由于这些 小岛呈颗粒状, 故称为粒状贝氏体。 笔者在化学成分相同的条件下, 进行了粒状贝 氏体钢与铁素体�珠光体钢在强度、塑性、韧性方面 的对比试验,目的是进一步研究粒状贝氏体组织对 低碳钢强度、塑性、韧性等力学性能的影响。 1 � 试验材料及方法 试验在安阳钢铁公司进行, 试验钢化学成分见 表 1。工艺为: 铁水预处理 � 120 t 转炉冶炼 � 炉外精炼( LF+ VD, Ca 处理) �连铸 �板坯加热 � 3 500 mm 炉卷轧机轧制 �层流冷却 �热矫直 �冷 床冷却。连铸机和炉卷轧机的布置见图 1。 试验钢连铸板坯厚度为150 mm , 板坯加热温 表 1 � 试制钢板的化学成分(质量分数) Table 1 � Chemical composition of test plate % C Si Mn Cr Nb V Ti S P 0. 06 0. 20 1. 66 0. 47 0. 062 0. 047 0. 025 0. 006 0. 011 图 1� 安钢连铸机和炉卷轧机的布置 Fig. 1 � Schematic of continuous caster and steckel mill of Anyang Iron and Steel Corporation 第 7 期 于庆波等: 粒状贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响 度为1 200~ 1 250 , 采用两阶段轧制。第一阶段 为奥氏体再结晶区轧制阶段, 在这一阶段( 1 000 以上)奥氏体变形和再结晶同时进行,所得到的奥氏 体晶粒由于再结晶的发生而比较细小, 此阶段道次 压下率大于 15%。第二阶段为奥氏体未再结晶区 轧制阶段,在这一阶段内( 920 ~ A r3 )形变奥氏体 晶粒被拉长,在被拉长且未再结晶的奥氏体晶粒内 形成高密度位错和形变带,同时微合金碳、氮化物也 会因为形变而诱导析出, 此阶段道次压下率大于 10%。试验钢经过控制轧制后从奥氏体区直接开始 进行层流冷却, 使钢板从奥氏体区过冷到所设定的 终冷温度。 本次试验共轧制两块板坯,通过表 2可以看到, 板坯号为 A 和 B的两块钢板的加热温度、粗轧开轧 温度、精轧开轧温度、终轧温度基本相同, 不同的是 钢板的终冷温度和冷却速度。钢板 A 采取的是热 轧后以层流冷却的方式进行冷却,终冷温度为 500 ,冷却速度是 12 / s ;而钢板 B 采取的是热轧后 以空冷的方式进行冷却, 冷却速度是 2 / s。 表 2 � 工业试验轧制的工艺参数 Table 2 � Rolling parameters of industrial experiment 板坯号 厚度/ mm 精轧开轧 温度/ 终轧温 度/ 终冷温 度/ 冷却速 度/ ( ! s- 1 ) A 20 939 766 500 12 B 40 935 788 - 2 (空冷) 2 � 试验结果与讨论 2. 1 � 力学性能 由于钢板热轧后的冷却方式不同, 因此造成钢 板在力学性能方面存在较大差异, 见表 3 和表 4, 拉 伸试样均沿钢板横向截取获得。由表 3 可以看到, 经过层流冷却后的钢板 A,其屈服强度、抗拉强度分 别比未经层流冷却的钢板 B 高 135 MPa 和 80 MPa, 尽管强度相差明显, 但强度高的钢板 A 仍然 具有很好的塑性, 它的伸长率( 20% )与低强度的钢 板 B的伸长率( 22%)十分接近。另外,值得注意的 是二者在冲击韧性方面相差十分明显。在冲击韧性 方面,钢板 A 的冲击功要远大于钢板 B; 在冲击功 转折温度方面, 钢板 A 同样表现出良好的低温韧 性,在- 60 仍然具有很高的冲击功,而钢板 B尽 管在室温下具有较高的冲击功,但当温度刚降至 0 时,其冲击功急剧降低,已经表现为脆性断裂。当 温度降至- 60 , 它的冲击功只有 12 J, 已经是完 全的脆性断裂。 表 3 � 工业试验钢板的强度和塑性 Table 3� Strength and ductility of test plate 板坯号 ReL / MPa R m/ M Pa A / % A 570 750 20 B 465 620 22 2. 2 � 显微组织 试验结果表明, 在相同的化学成分和热轧工艺 条件下,由于热轧后冷却速度的不同,最终所得到的 钢板在力学性能方面存在显著的差异。通过对这两 块钢板的显微组织观察发现,钢板 B 的显微组织是 由多边形铁素体+ 珠光体组成(见图 2) , 而且多边 形铁素体晶粒比较粗大,平均晶粒直径为 18. 7 �m, 珠光体呈块状分布。因为细化晶粒既可以提高钢的 强度又可以提高钢的韧性, 但是由于钢板 B 的铁素 体晶粒较粗大,加之珠光体中片状渗碳体的存在必 然有利于裂纹的扩展, 造成钢板的韧性变差。 而钢板 A 的显微组织几乎全部由粒状贝氏体 组成,见图 3。由图可见大量细小的 M�A 岛均匀弥 散地分布在铁素体基体上。在粒状贝氏体形成过程 中,从过冷奥氏体析出的铁素体最初是板条状, 而且 板条状铁素体具有较高的位错密度,因此与铁素体� 珠光体钢相比,粒状贝氏体钢之所以有更高的强度 是因为它有更细的铁素体板条(见图 4)和更高的位 错密度,是细晶强化和位错强化这两种强化方式综 合作用的结果。然而, 笔者认为对粒状贝氏体钢而 言,其强化方式不仅仅是这两种方式。因为在粒状 贝氏体组织中除去铁素体组织外, 还存在着大量细 小的第二相, 即 M�A 岛(见图 5)。由于 M�A 岛是 硬质相,而且这些 M�A 岛是以细小弥散的方式析 出, 所以它们能够与位错发生交互作用, 阻碍位错 表 4 � 工业试验钢板在不同温度下的冲击功 Table 4 � Toughness of test plate at dif ferent temperatures 板坯号 AKV (纵向) / J室温 0 - 20 - 40 - 60 A > 300 > 300 349, 368, 340 262, 282, 285 238, 139, 227 B 176, 174, 164 24, 30, 32 14, 14, 2 12, 9, 9 11, 12, 12 !69! 钢 � 铁 第 43 卷 图 4� 粒状贝氏体的 TEM照片 Fig. 4 � Granular bainite, TEM 的运动,即通过弥散强化的方式提高钢的强度。因 此, 与铁素体�珠光体钢相比, 粒状贝氏体钢是通过 细晶强化、位错强化、弥散强化 3种方式共同提高钢 的强度。 图 5 � 粒状贝氏体的 SEM照片 Fig. 5 � Granular bainite, SEM 尽管第二相 M�A 岛是粒状贝氏体钢的强化方 式之一,但它的存在也破坏了材料基体的连续性,会 在第二相周围的基体中或多或少地使点阵产生畸 变,这必然要影响材料的断裂行为,从而影响材料的 韧性。然而,低碳粒状贝氏体组织之所以具有高的 !70! 第 7 期 于庆波等: 粒状贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响 低温冲击韧性是由其显微组织决定的, 因为它的板 条铁素体与多边形铁素体有着显著差别。图 5是低 碳粒状贝氏体组织的 SEM 照片,它是由细小的铁 素体板条和 M�A 岛组成, M�A 岛分布在铁素体板 条内部,细小的铁素体板条具有更小的有效晶粒尺 寸,能有效地阻止裂纹的扩展。这些弥散分布的 M� A岛细小并且近似呈球状,与具有片状、尖角形状的 第二相相比,球状第二相更能够减小应力集中,可以 避免断裂时成为裂纹的萌生源和裂纹的低能量扩散 通道。另外, M�A 岛在基体中是以不连续的方式分 布,岛与岛之间具有一定的距离,由于中间是具有良 好韧性的板条铁素体,裂纹更不易扩展,所以不连续 分布的 M�A 岛避免了裂纹连续扩展通道的形成。 因此, M�A 岛的存在,在增加钢强度的同时并未明 显地降低钢的韧性和塑性。 目前,一般认为仅有细化晶粒可以既增加钢的 强度又可以提高钢的韧塑性, 然而通过控轧控冷工 艺,以相变强化方式得到低碳粒状贝氏体组织也可 以取得同样的效果。 3 � 结论 ( 1) 在化学成分相同的条件下, 低碳粒状贝氏 体钢比铁素体�珠光体组织钢具有更高的强度和冲 击韧性。 ( 2) 粒状贝氏体组织对钢的强化方式不仅仅是 细晶强化和位错强化, 弥散强化也是强化方式之一。 ( 3) 不仅细化晶粒可以既增加钢的强度又提高 钢的韧塑性,通过低碳粒状贝氏体的相变强化也可 以有同样的效果。 参考文献: [ 1] � LIU D S, LIU X H , WANG G D, et al. 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