低中碳Si—Mn—V钢回火马氏体脆性机理与稀土元素的作用

低中碳Si—Mn—V钢回火马氏体脆性机理与稀土元素的作用 低中碳Si—Mn—V钢回火马氏体脆性机理 与稀土元素的作用 第28卷第7期西安交通大学V.1.28No_7 1994年10月JOURNALOFXI,ANJIAOTONGUNIVERSITYOct.1994 低中碳Si—Mn—V钢回火马氏体脆性机理与 稀土元素的作用 0 堕兰兰王笑天._rtj,J一——而 学院)f7… .摘要 H通过冲击试验并利用透射电镜,扫描电镜和X射线衍射仪等测试设奋研究j低 中碳si-Mn—V钢回火马氏体脆性机理及稀土元素的作用.结果明:回火碳化物的 析出和粗化是导致试验钢回火马氏体脆性断裂的本质因素,回火马氏体脆性断裂方 式强烈取决于钢中含碳量f稀土元素对试验钢回火马氏体脆性的影响与钢中含碳量 有关.,f)包lr, 差竺.I目氏体脆性稀土元素土磺,中国围书资料分类法分类号;TG115.24f' 0引言 钢中回火马氏体脆性断裂方式有沿晶与穿晶两种类型.沿晶回火马氏体脆性断裂与晶界 杂质偏聚和碳化物沿晶析出有关0.关于穿晶型回火马氏体脆性断裂机制则存在较大争议. 文献[5,11]认为.马氏体板条相界残余奥氏体在回火过程中的失稳分解是产生穿晶回火马氏 体脆性的基本原因;文献[12]研究表明;穿晶回火马氏体脆性断裂的产生与板条马 氏体相界和 板条内渗碳体粗化具有明显的相关性.Briantu根据4340钢的研究指出由于碳化物促进延 性断裂,沿晶断裂或解理断裂而使断裂能降低,从而产生回火马氏体脆性.也有人认为[回火 马氏体脆性断裂机制强烈地取决于钢中含碳量,与回火条件下碳化物的形成和基体的应变硬 化行为有关,对晶界杂质并不敏感. 稀土元素可以抑制钢中杂质元素在晶界的偏聚,延缓马氏体的分解和回火碳化物的析出 和长大口,但关于稀土元素对回火马氏体脆性的影响,尚未见诸报导.本文目的旨在研究杂质 含量很低的低中碳Si-Mn—V钢的回火马氏体脆性机理以及稀土元素的作用. 收到日期t1994-O1-10.姚引良,男,1960年3月生,高级师,现调西安高新技术开发区工作 *国家教委博士点基金资助项目. 西安交通大学第2B卷 l试验 试验钢在感应炉中泊练,其化学成分列于表1 表1试验钢的化学成分 钢锭锻成13ram×13mm方棒,经遇火后加工成标准charpy冲击试样.试验钢的奥氏体 化温度,低碳钢1000?,中碳钢930?,回火温度为200,500~2.用扫描电镜沿主裂纹扩展方 向观察镀Ni断口剖面,研究了回火脆性状态下断裂过程中裂纹萌生与扩展及其与显微组织的 关系.冲击试验机型号为CIEM一30CPC.透谢及扫描电镜型号分别为:JEM-2000CX和JSM一 35CX.X射线衍射仪型号为D/MAX一?A. 2试验结果 2.1冲击韧性 试验钢charpy冲击韧性试验结果如图1所示.结果表明:(1)Si—Mn—V钢经不同温度回火 后韧性值主要取决于钢中含碳量.含碳量越高,其对应的回火温度下的冲击值越低}(2)稀土元 素的加入大大提高低碳马氏体的冲击值,强烈地推迟低碳马氏体回火脆性低谷的出现I(3)稀 土元素的加入对中碳钢回火马氏体脆性及其相应回火温度下的冲击值影响不大. 2.2显微组织 我们[1曾对试验钢淬火,回火后的显微组织,进行过细致研究,结果表明(1)低碳马氏体 低温回火过程中分懈析出的片状碳化物尺寸和数量随回火温度升高而增大.20SiMn2V钢马 氏体在300?回火后片状碳化物尺寸最大,弥散度最高.超过300?回火,片状碳化物开始球 化.择优取向析出的这种片状碳化物主要分布在马氏体板条内部(见图2),稀土元素的加入明 显地抑制了低碳马氏体在低温回火过程中的分解,阻碍片状渗碳体析出,并推迟其长大与球化 过程.(2)中碳马氏体350?回火后,除在板条马氏体内部析出片状渗碳体外,在板条相界和原 奥氏体晶界也析出了大量的粒状或条状渗碳体(见囹3).含稀土元素的中碳马氏体经350? 回火后其显微组织与不含稀土元素的钢相近,只是原奥氏体晶界渗碳体密度较大.这与稀土钢 中稀土元素在晶界偏聚引起晶界含碳量升高有关[1,(3)试验钢在不同热处理状态中残余奥 氏体体积分数列于表2.结果表明,稀土元素对低,中碳Si—Mn—V钢淬火,回火组 织中残余奥氏 ? 一 第7期螭引昆等;低中碳Si?Mrt?V锕回^马氏体恺性札理与稀土元索作啊 体体积和热稳性影响甚微 E ×20S[Mrt2VIlA20SiMn2VRE -40SiMn2Vj?4OsiMn2VRE 图1试验钢回火马氏体的冲击韧性变化规律 图220SiMn2V锕100CC淬火.300?回火 的TEM显馓组甥明场像 表2试验钢淬火,回火组织中残余奥氏体体积分数() <B)明场(b)暗场 图340SiMn2VRE钢930?淬火,300?回火后的显微组织 2.3冲击断口形貌观察 冲击断口的扫描电镜观察表明,低碳试验钢回火马氏体脆性断裂方式为穿晶准解 理(图 4).稀土元素的加入推迟了低碳马氏体回火脆性低谷的出现而没有改变其断裂方 式. - 18西安文通大学学撤第28卷 田420S[Mr,2V辑ll000C谇火, 300C回火志冲击断口形貌 中碳试验钢无论是否含有稀土元素,其断裂方式是 沿晶断裂和穿晶准辫理的混合(图5). 2.4脆性断裂过程的微观分析 图6为20SiMn2V钢回火脆性断口剖面扫描电 镜照片.围中显示,在主裂纹附近萌生的未扩展裂纹 与马氏体板条长度方向具有斜截的取向关系,这与 图2中马氏体板条内片状渗碳体分布取向一致.从 而说明穿晶准解理断裂过程中的裂纹萌生是沿马氏 体板条内片状碳化物发生的, 与低碳马氏体回火噫性断裂所不同的是,回火 中碳马氏体除了在马氏体板条内,板条相界析出的 图540StMn2V钢930C淬火, 350C回火态冲哥于断口形貌 图620SLMn2V钢1000C淬火.300C回 砭态断口剖面组织中的未扩展裂纹 片状渗碳体引起穿晶准解理裂纹外,大量密集的晶界碳化物萌生了沿晶裂纹,从而导致中碳马 氏体回火脆性断裂为沿晶断裂和准解理楣混合的形式(圈5). 3讨论,稀土元素对试验钢回火马氏体脆性的影响 稀土元素的加入强烈地推迟低碳Si?Mn?V钢回火马氏体脆性低谷的出现,而对中碳si— Mn?V钢回火马氏体脆性影响则不明显.这是由于钢中加入稀土元素可以与钢中的碳原子在 马氏体内的位锩,相界和晶界处形成较稳定的RE?c原子集团.束缚了钢中碳原子的扩散运 动.在低碳马氏体基体中,除了与稀土元素组成原子集团的碳原子外,能够参子有效扩散的碳 原子数量大大减少.因而,低碳稀土钢马氏体在低温回火过程中碳化物的析出过程被抑制,只 有在较高温度回火,能够导致脆性准解理断裂的粗大片状渗碳体才能长大到足以萌生微裂纹 的尺寸这是稀土元素强烈地推迟低碳Si—Mn—V钢回火马氏体脆性低各出现,而 不改变它的 脆性断裂机制的根本原因在中碳马氏体中,除与稀土原子组成原子集团的碳原子外,还有较 多的可以参子自由扩散的碳原子因此稀土元素对中碳马氏体低温回火过程中碳化物析出及 长犬过程的影响甚微,对中碳Si—Mn—V钢回火马氏体脆性低各位置几乎投有影响. 稀土元素的晶界偏聚作用和它们与碳原子有很强的亲和力的因素是导致稀土中碳钢850 第7期姚引良等-低中碳si—MV钢回业马氏体脆性机理与稀土元毒的作嚼49 ?回火马氏体组织中,晶界渗碳体密度较大的原因,也是中碳稀土钢回火马氏体脆性稍大于非 稀土钢的原因. 稀土元素的晶界偏聚作用减小了磷,硫等杂质在晶界的偏聚并未改善稀土钢的回火马氏 体脆性.这也说明了晶界杂质偏聚不是引起试验钢回火马氏体瞻性的主要匣因. 4结论 (1)回火过程中碳化物的析出和粗化是导致试验钢产生回火马氏体脆性的本质因索. (2)回火马氏体脆性断裂机制仅取决于试验钢的舍碳量,与稀土元素的存在与否无关. (3)在试验钢中加入0.15(质量)的混合稀土金属可以明显地推迟低碳Si-Mn—V钢回火 马氏体脆性低谷的出现,提高其低温回火抗力.而对中碳Si—Mn—V钢回火马氏体脆性低谷的 位置没有影响. 参考文献 1BriantCL,BanerjiSK.Intergranularfailureinsteel:Theroleofgrain—boundarycompo— sition.InterMetalsReviews,1978,23(4):164,192 2BanerjiSK,FangHC,McmahonCJ.Intergranularfracturein4340--typesteels:Effect Ofimpuritiesandhydrogen.MetallTrans,1978?9A:237,247 3BriantCL,BanerjiSK.Temperedmartensiteembrittlementinahighpuritystee1.MetaH Trans.1979.10A:i151,1155,1729,1737 4BandypadhyayN,McmahonCJ,Jr.Themicro—mechanismsoftemperedmartensiteem— brittlementin4340--typesteels.MetallTrans,1983,14AIi313,1325 5MaterkowshiJP,KraussG.TemperedmartensiteembrittlementinSAE4340stee1.Met allTrails,1979,i0A:i643,1651 6ThomasG.Retainedausteniteandtemperedmartensiteembrittlement.Meta[1Trans, 1978,9A:439,450 7SarikayaM,JhinganAK,ThomasG.Retainedausteniteandtemperedmartensiteembrit— t[ementinmediumcarbonsteels.MetallTrans.1983,14A:1181,1133 8HornRM,RitchieRO.Mechanismsoftemperedmartensiteembrittlementin1OWai]o)t steels.Metal1Trana,1978,9A;1O39,1053 9BhadeshiaHKDH,EdmondsDV.Temperedmartensiteembrktlement:roleofretained austeniteandcementite.Meta1Sci,1979.13:325,334 10KwonH.KimCH.TemperedmartensJteembrittlementinFe—Mo—CalldFe—W— CSlee1. 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Keywords:temperedmartensitetemperedmartensiteembr~'ttlementrare-earthmetals