加热温度和钒含量对中碳锻造钢相变特性和机械性能的影响

现代冶金2013年第1期加热温度和钒含量对中碳锻造钢相变特性和机械性能的影响南斯拉夫DRAGOMIRGLIIC摘要用金相和机械性能试验研究了V和N对中碳钢显微组织和机械性能的影响，V加入低N钢中会抑制在较低加热温度时铁素体一珠光体形成，其显微组织主要由柳叶状贝氏体组成，在相同V含量下增加N含量可促进针状铁素体形成。对于高的加热温度，观察到了在低N和高N两种钒钢中主要为针状铁素体组织。结果表明，固溶的V促进贝氏体形成，与N作用相关的VN粒子在奥氏体中以高位能析出，铁素体晶内有高位能使针状铁素体在晶内形核，VC，N粒子析出起到了沉淀强化作用，同时加入V和N，可提高强度等级，显微组织从贝氏体铁素体转变为细铁素体一珠光体和针状铁素体时，可提高CVN的冲击功。关键词V微合金化钢；中碳钢；贝氏体；针状铁素体1前言加入V到高强微合金化钢中的主要目的是用VC，N粒子进行沉淀强化，一般认为从奥氏体化温度连续冷却的奥氏体一铁素体转变过程中，在铁素体中析出粒子是最有效的，然而高N含量的VN析出粒子已存在于奥氏体中，已证明这些VN粒子对针状铁素体晶内形核具有高位能，可显著改善高强钢的韧性。加入V主要增强针状铁素体组织的形成和改善韧性，N对显微组织和机械性能的影响主要与V的作用及其它合金元素如TI和NB有关。但是，在文献中对溶解V对微合金化钢转变特性的影响有不同观点，一般认为V原子偏析于奥氏体晶界，对铁素体形核位置影响较小，虽然很多作者提出V通过阻止在晶界形核抑制铁素体一珠光体的形成而增加硬度，也有相反的观点，即V实际上不会抑制晶界作用，甚至会降低硬度。本研究的目的是检测V和N含量对中碳钢显微组织和机械性能的影响，以阐明V对转变特性和机械性能的作用。2试验过程用实验室真空炉熔化不同N和V含量的中碳锻造钢，铸成6OKG的圆柱形钢锭，钢的化学成分见表1，其中高N，低N和无V是指V和N的含量，把铸态钢锭加热到1200，锻压成8080MM的方棒，随后把钢棒加热到1150OC，热轧成22MM圆棒，空冷到终轧温度880960。表1试验钢的化学成WT钢号高N低N无V从圆钢棒上切取180RAIN长的试样，在1150。【均热后油淬，在9501300温度区间内在不同温度下加热奥氏体化30MIN，随后空冷，用置于圆柱体中心的热电偶检测温度，根据加热温度，冷却速度约115IS和135OCS，氩气保护气氛用于所有热处理。为检测保温时间对转变特性的影响，附加高N钢试样在膨胀计中加热到950OC，保温10MIN，180MIN和960MIN，冷却速度为6OMIN，以模拟空气中的冷却条件。用热处理试样加工成标准纵向夏氏V型缺口试样和圆拉伸试样Z。40MM，D08MM，用于检测室温机械性能。用常用金相技术检测了显微组织，试样用2硝酸酒精溶液浸蚀。O0OOOO毗叭叭OOO一M一叭OOO一勰OOO888OOO懈蝴OOO铝钾00O拍OOO2013年第1期对于在高的加热温度12501300下，无V钢和含V钢低N其转变特性是不同的，可以估计到除大的奥氏体晶粒尺寸外，VN粒子在这一温度下可完全溶解，在低N钢中出现铁素体晶界图2B意味着V在晶界的偏析和随后的硬度在某中程度上降低了。可以假设在高温加热时由于热扩散，V更易于通过奥氏体晶内进行分布，使其在晶界处的浓度被稀释，因此对铁素体在晶界形核产生抑制作用。在高的奥氏体化温度时，奥氏体晶粒尺寸有适当的增大图4，对针状铁索体形成有益。因为夹杂的密度远高于奥氏体晶粒表面形核位置而促进了其在晶内形核。表2合金元素的分布和VN及VC完全溶解的温度含V钢比无V钢对转变表现出更高的延迟作用，对形成魏氏铁索体有支配作用图3B，由于VN粒子控制针状铁索体在晶内的形核，则在无V钢中针状铁素体就不可能形核，基于这一点，不应忽略TIN粒子，但其似乎又缺乏成为形核的有利位置，因为其与铁素体点阵错配率38高于VN的13。这些认识和现有结果支持早先发现的VN粒子是针状铁索体在晶内形核的优先位置，事实上，在硫化锰上的VN析出物是针状铁素体晶内形核的位置。另外，EDMONDS提出针状铁素体在晶内形核的可选择机理，指出V偏析到奥氏体晶内形成富V区或FEV簇成为针状铁素体形核的有利位置。在950不同保温时间得到的高N钢显微组织表明与先前假设的V抑制铁素体在晶界形核和促进贝氏体形成相一致，950OC的奥氏体化温度低于高N钢中VN完全溶解所要求的温度TV1077OC，因此，V以VN粒子形式出现，固溶V的浓度随保温时间即VN粒子溶解而提高，在给定温度下的奥氏体中达到平衡值。不同保温时间得到不同的显微组织清楚地反映出奥氏体成分的变化，10MIN后图5A的奥氏体特性稍不同于95030MIN图LA后空冷试样，在铁素体一珠光体边存在小岛状针状铁素体，随保温时间增加到180MIN，针状铁素体的分数也增加。连续网状晶界铁素体意味着晶界的形核位置没有被V的偏析所抵消，似乎当VN粒子的密度足够高时才适于针状铁素体在晶内形核图5B，960MIN后图5C不存在晶界铁素体，导致的结果是固溶V的浓度非常充分，足以在晶界形成偏析，阻止晶界成为铁素体有效的形核位置。不应忽略在晶界迁移率较低时所需的偏析对晶界的有效作用，认为这个条件是可以达到的，因为忽略了在950保温960MIN后平均晶粒尺寸从10IZM增加到L4M。43N对显微组织的作用、比较在较低加热温度9501150下高N钢和低N钢的显微组织，钢中N含量高会抑制贝氏体形成图1A，在高N钢中，大量的V在950时用于形成VNVN完全溶解的温度为1077OC，表2，只有少量的V偏析于晶界，因此晶界铁素体形成没有被抑制，促进针状铁素体在晶内形核图1A。在低N钢中，所有的V都可以偏析于晶界933OC，降低晶界铁素体形核的势能，促进针状贝氏体形成图2A。如原先观察到的关于N的作用，高N创造了更适合VN在MNS夹杂上析出条件而提供更适合针状铁素体形核的位置。对高的奥氏体化温度11501300OC，高N和低N钢的显微组织实际上是一样的，其组成主要为针状铁素体组织适于由大的奥氏体晶粒转变而成和晶界铁素体图1B和2B。事实上高N钢和低N钢的显微组织是相似的，在低N钢中28PPM的N就足可以促进VN在MNS粒子上的析出，成为针状铁素体形核的适合位置。近来GARCIAMATEO研究结果表明，在奥氏体内形成的VN粒子对针状铁索体形核位置有特殊的作用，从这一方面讲，假设即使在低N含量时，由于热扩散在晶内有足够的V，从高奥氏体化温度冷却时在奥氏体内有VN粒子的析出。44强度随V和N含量的增加强度提高，见图4，理论上是由于V碳氮化物第二相粒子的沉淀强化作用，当N含量增加时，VC，N析出增加，增强了针状铁素2013年第1期体和贝氏体组织的形成，粒子变得更加分散，因此，高N钢的强度最高而无V钢的最低。显微组织的作用随加热温度而变化，而组织对强度的敏感性是不大的。与无V钢相比，低N含V钢在强度上有相对的提高，特别是针对在较低温度下加热的试样，在低N钢中VN粒子完全溶解的温度是933OC，V和N在950可完全固溶，这对VC，N粒子充分析出提供了可能性。但是，认为在较低加热温度下的低N钢中的贝氏体组织和碳氮化物在贝氏体中析出是不可能的，似乎也不可能观察到沉淀强化。公认的是奥氏体一铁素体转变后，在铁素体内形核的粒子可提高强化作用，在奥氏体中颗粒的析出由于在相变时缺乏相关性而弱化强化作用。但是，近来通过TEM检测表明，实际上常用微合金化钢中的所有碳氮化物粒子是无序的，因此，提出在奥氏体内形成的碳氮化物粒子具有显著的强化效果，这一结果导出一个假设，在低N贝氏体钢中观察到的强化作用的提高，可以描述为是所有碳氮化物粒子的弥散强化作用而与其如何产生无关。另一方面，按照热力学计算，在未转变奥氏体中形成VC，N析出的化学驱动力一般很小，且随N和C含量的降低而降低，再者，在由公式1和2计算的在较低温度时，低N含量时VC，N广泛的析出被延迟，这一发现结合现有结果，有可能在贝氏体中有很多微小氮化物和碳化物的析出，为低N钢贝氏体组织所观察到的强化作用提供了一个可选择的解释。45韧性韧性对组织有很强的敏感性，因此，CVN。冲击功的变化在图4中反映出显微组织的变化，具有贝氏体组织的低N钢韧性最低，与原先发现的相符，在这种类型的组织中，CVN加冲击功值主要取决于相对粗大尺寸碳化物的分布，也是裂纹开始的位置，由粒子断裂形成了显微裂纹临界尺寸，裂纹通过贝氏体板条束向前扩展，类似于产生的晶界结晶。低N钢在较高加热温度加热后韧性明显提高，对应于显微组织从贝氏体变化为针状铁素体，不平行结晶的细小相连的针状铁素体板条提高了裂纹通过基体晶界所需的能量。最高韧性出现在对应高N钢中针状铁素体沿细铁素体一珠光体分布的组织和无V钢在较低温度加热的铁素体一珠光体组织时，CVN冲击功值随加热温度提高即铁素体一珠光体组织分数减少而降低，在高N钢中或无V钢中魏氏铁素体有利于针状铁素体形成。必须强调的是这两种钢表现出强度级别非常不同和高的加热温度更适合热锻工艺，所以具有针状铁素体组织的高N钢在L300A【加热后，UTS约900MPA和CVN20冲击功约4OJ的组合是所希望的。再者，在加热温度为L200OC主要为针状组织的钢中有L150MPAUTS与一50时的2527J或室温的3337J夏氏U型缺口冲击功的组合，已由ISHIKAWA和TAKAHASHI所报道。5结论1加入V抑制铁素体一珠光体形成，促进在较低加热温度9501150OC下贝氏体形