（动力机械及工程专业论文）冷却速度和形变温度对bm复相钢组织和性能的影响.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 作者测定了两种高强度低碳贝马复相钢的c c t 曲线，并采用g t e e b l e 热 力模拟实验机分别模拟不同冷速和形变温度，对标准夏比v 型缺口冲击试样进 行处理，采用数字化多功能冲击实验机测定其冲击韧度。实验结果表明，随着 冷却速度的降低，高硅无碳化物贝氏体，马氏体复相钢的组织中有铁素体析出， 低硅贝氏体马氏体复相钢保持下贝氏体，马氏体复相组织，且贝氏体量均随冷速 降低而增加，裂纹扩展功的增加使冲击韧度显著提高。高硅的实验钢在形变过 程中发生应变诱发铁素体相变，铁素体量随形变温度的降低而增加，沿晶界析 出的铁素体弱化了晶界强度，从而降低冲击韧度。形变温度对低硅实验钢的组 织和性能影响不显著。 关键词：b m 复相钢，c c t 曲线，冷却速度，形变温度 a b s t r a c t t h ec c tc w v e so f t w ok i n d so f u l t r a - h i g hs t r e n g t hl o wc a r b o nb a i n i t e m a r t e n s i t e ( b m ) d u p l e xp h a s es t e e la r eo b t a i n e d t h es t a n d a r dv n o t c hc h a r p yi m p a c ts a m p l e sa r et r e a t e db y g l e e b l es i m u l a t i n gd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e sa n dd e f o r m i n gt e m p e r a t u r e s t o u g h n e s si st e s t e d b ym u l t i f u n c t i o n a ld i g i t a li m p a c tt e s t e r t h er e s u l t ss h o wt h a tf e r r i t ea p p e a r si nh i g l ls i l i c o n t e s ts t e e lu n d e rl o w e rc o o l i n gr a t e s , b u ti ti sn o tf o u n di nl o ws i l i c o nt e s ts t e e l w h e nt h e c o o l i n gr a t ei sg e t t i n gl o w e r ，m o r eb a i n i t ei sg o t ，a n dt h ei m p a c te n e r g yi n c r e a s e sm a r k e d l y b e c a u s eo fh i g h e rc r a c kp r o p a g a t i o ne n e r g y s t r a i ni n d u c e dp h a s et r a n s f o r m a t i o no ff e r r i t e o c c u r 5d u r i n gt h ed e f o r m a t i o no f h i g hs i l i c o nt e s ts t e e l ，a n dm o r ef e r r i t ep r e c i p i t a r e sa l o n g t h eg r a i nb o u n d a r i e su n d e rl o w e rd e f o r m i n gt e m p e r a t u r e t h et o u g h n e s sg e t sw o r s eb e c a u s e o f t h ew e a k e n e dg r a i nb o u n d a r i e s i nl o ws i l i c o nt e s ts t e e l ，e f f e c to f d e f o r m i n gt e m p e r a t u r e o nm i e r o s t m c t u r ea n dp r o p e r t i e si sn o ts i g n i f i c a n t y u a ny e ( p o w e rm a c h i n ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i ud o n g y u k e yw o r d s ：b md u p l e xp h a s es t e e l ，c c tc u r v e ，c o o l i n gr a t e ，d e f o r m i n gt e m p e r a t u r e 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文冷却速度和形变温度对b m 复相钢 组织和性能的影响，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：趔日期：碑：兰 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日 期_ 垄堕：墨 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 多年以来，钢铁一直是社会生产中应用最广泛的一种金属材料，对于钢铁材料 的研究工作也进行的相当充分并倍受重视。随着我国经济建设的飞速发展，特别是 城镇化进程的加快，不仅对钢材的用量需求大幅度增加，也对钢的性能指标、生产 技术标准和质量控制均提出了越来越严格的要求，目前国内现有的钢结构材料的质 量、品种规格面临了很大的挑战。 2 0 世纪9 0 年代末，为进一步改进传统钢铁材料的一些不足，更好地开发其在 使用性能上的潜力，减少材料消耗，降低能耗，超级钢作为一种面向2 l 世纪的新 型结构材料，在许多国家被广泛提出并着手开发研究，其最终目标是实现钢铁材料 的实用强度和使用寿命加倍。超级钢具有高强度、高韧性的力学性能特征和超洁净、 高均匀性、超细化的组织和成分特征。所谓洁净化，一是最大限度地降低钢中s 、p 、 o 、h 、n 等杂质元素的含量；二是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态 和分布。高均匀性是指成分、组织和性能的高度均匀，材料微区结构越均匀，所对 应材料的抗冲击性能越高。超细晶粒是指晶粒尺寸达到o 1 1 0 t t m ，细化晶粒是唯 一能够同时提高金属材料强度和韧性的有效强化方法。若将超级钢应用于汽车制造 中，可有效地减轻车体重量，减少能源消耗和环境污染；若将其应用到道路、桥梁、 高层建筑等方面，不仅可以减轻零件的重量，还可以延长这些基础设施更新换代的 时间，有效节约能源【l 】。 我国于1 9 9 8 年启动了“9 7 3 项目”，国家财政从1 9 9 8 年起5 年内累计投入2 5 亿 元用于该项目，其中有o 5 亿元用于进行2 l 世纪钢铁材料的基础理论研究。在钢铁 材料方面，项目的一期目标是将钢的强度提高一倍，实现钢材的轻量化；二期目标 是在保持强度水平不变的基础上，将其疲劳寿命提高一个数量级。项目完成后将带 来巨大的经济效益，如可减少钢厂建设、矿山的基建投资，减少资源损失和对生态 环境的污染等，实现可持续发展1 2 j 。 在实际应用中，人们发现屈服强度超过1 0 0 0 m p a 的低合金高强度钢或超高强度 钢制成的工件，因环境中的氢进入钢中，存在延迟断裂问题。所以，近年来各国陆 续开展的超级钢研究计划中，都将开发具有优良延迟断裂性能的1 5 0 0 m p a 级高强度 低合金钢作为研发重点，并且在研制新型高强度钢时更加注重经济性和可循环利用 性。清华大学贝氏体研究及推广中心在多年m n b 系列空冷贝氏体钢理论和应用研 究的基础上，设计并深入研究了新的1 5 0 0 m p a 级m n c r 和m n s i c r 贝氏体，马氏体 复相钢，以期改善钢的强韧性和抗延迟断裂性能p 1 。 华北电力大学硕士学位论文 本课题便是在此背景下展开的，在建立了两种m b n i c r - m o 钢和m n s i c r 钢 c c t 曲线的基础上，主要研究了冷却速度和形变温度对其组织和性能的影响。 1 2 钢的连续冷却转变曲线图 钢的连续冷却转变曲线图又叫c c t 曲线图，它是用来表示在连续冷却过程中 过冷奥氏体在不同冷却速度下发生相变的起止时间和温度的一种图形，有助于研究 者预测工件的组织和性能，对热处理工艺的制定以及合金设计具有重要意义，也有 利于新材料和新工艺的开发。 1 2 1 钢的连续冷却转变曲线图的测定 c c t 曲线的测定方法多种多样，如金相法、膨胀法、热分析法、末端淬火法、 磁感应法等，也可综合各种方法来建立。其中，膨胀法是测定c c t 曲线的一种较为 常用的方法。 因为钢中各相的点阵结构、原子配位数和致密度各不相同，所以它们的密度也 不相同，比容就有差异。钢的基本相的比容关系是：马氏体 铁素体 珠光体 奥 氏体 碳化物( 但铬和钒的碳化物比容大于奥氏体比容) 【4 l 。在相变过程中，钢试 样的体积和长度必然会发生明显区别于单纯的热胀冷缩的变化，这就是膨胀法的原 理。 下面简要介绍如何采用膨胀法测定c c t 曲线。将试样奥氏体化并保温后，在预 定冷却条件下连续冷却，通过仪器将此过程中试样的温度、长度和时间记录下来， 然后绘出在不同冷速下试样的膨胀量一温度曲线，根据曲线中膨胀量的变化，分别 找出转变开始点和转变结束点，并由温度查出对应的时间。将对应于不同冷速的若 干组转变开始、结束的温度和时间值记录于温度一时间( 对数) 坐标图中，连接相 同性质的转变开始点与转变结束点，即得到c c t 曲线。 1 2 2 钢的改型连续冷却转变曲线图 钢的成分确定后，冷却速度便是决定组织转变类型与转变过程的主要因素。常 见的c c t 曲线图是在测量了试样在若干匀速冷却过程中的数据后建立起来的，所以 图中一般标注着许多匀速冷却曲线。在使用这样的c c t 曲线图过程中，必须预先估 算或测定出某一钢件在实际冷却过程中的冷却速度，做到这一点，并不是一件容易 的事情，而且钢件在实际冷却时冷速也不是均匀不变的，所以，有时这会给c c t 曲线图的使用者造成很大的困难和不便。即便是在已经积累了许多冷却数据和有现 2 华北电力大学硕士学位论文 成的冷却测定结果可以直接应用的条件下，也还需要将c c t 曲线图和实测冷却曲线 相互叠加和对比，使用起来仍旧是不方便的1 4 。j 。 为了避免上述不便，在英国对亚共析钢发展了一种改型c c t 曲线图。这种改型 c c t 曲线图与传统c c t 曲线图的最大区别在于采用钢棒直径的大小作为横坐标， 而不是转变所需的时间。两图的纵坐标相同，都是温度，横坐标的大小与冷速大小 的关系不变，相互之间可以良好的对应。改型c c t 曲线图中没有冷却曲线，而是包 含在钢棒直径大小之中，因为每个直径不同的钢棒都有其特性冷却曲线。横坐标以 空冷直径作为基本坐标，同时添加与其对应的油冷直径和水冷直径坐标。改型c c t 曲线图把组织转变直接与尺寸大小联系起来，所以很便于实际生产过程中的使用1 4 j 。 关于改型c c t 曲线图，有几点值得注意：首先，所有的制图数据都是取自钢棒 轴心部位；其次，将奥氏体化温度到冷却介质的温度区间平均划分为2 0 个温度间 隔，以每个温度间隔内所需的不同冷却时问来表征某一直径钢棒轴心处的冷却过 程，相同级别的温度间隔内时间不同则表示钢棒的直径不同；再次，横坐标以空冷 钢棒直径( 轴心处) 为基准，其他冷却方式( 油冷和水冷) 或钢棒不同部位以及不 规则形状钢件的情况可以通过计算其等效直径的方法解决，等效直径的计算方法可 参考英国标准5 0 4 0 ：1 9 7 4 或文献 5 】相关章节。 1 2 3 钢的连续冷却转变曲线图的预测 为了准确的测定一张完整的c c t 图，整个测试过程需要花费大量的时间和资 金。所以，钢的c c t 图的预测在理论和应用方面都具有一定的价值。 c c t 图的预测方法主要分为三类：物理模拟法，s e h e i l 法和统计方法州。 物理模拟法主要根据相变理论建立冷却过程中相变的物理模型，然后进行数值 计算。其优点是有坚实的理论基础，但是目前还存在一些不足，如：相变的定量描 述还存在相当大的差距而引起计算误差；相关的热力学数据不足，大部分模型只能 计算已有的材料，不能模拟新材料的相交等。 s e h e i l 运用叠加法则根据钢的等温转变推算连续冷却转变，但叠加法则一般只 适用于组织相同的情况，而且使用s c h e i l 法预测c c t 图的前提是必须先测出钢的 t t t 图。 统计方法不考虑问题的物理意义，它的研究对象只是数据本身而不是钢的相变 过程。在统计方法中，最常见的是根据实验数据总结的回归方程，如关于a c l 、a e 3 、 m s 、b s 、f s 以及相变临界冷却速度和转变产物硬度值的经验公式。此外，还可以 采用人工神经网络( a n n ) 技术，通过软件对能够表征c c t 曲线的特征参数进行 计算，从而得到预测的c c t 图。 华北电力大学硕士学位论文 1 3 冷却速度对钢的组织和性能的影响 钢在奥氏体化后过冷到不同的温度会发生不同类型的组织转变，按照转变发生 的温度区间的不同，一般分别称为过冷奥氏体的高温转变、中温转变和低温转变。 如果组织转变过程不是在等温条件下进行，即奥氏体经过的是一个连续的冷却过 程，那么冷却速度的大小就成为影响组织转变的一个重要因素，比如直接影响最终 得到何种组织以及各种组织相对含量的多少等。此外，冷却速度在决定晶粒形核和 长大方面起着重要作用，冷却速度的提高会使过冷度增大，形核能力增强，形核位 置和形核率增加，强化了晶粒细化效果，所以合适的冷却速度可以获得理想的组织 形态和晶粒度，从而使钢铁材料获得优良的性能。 研究者们围绕冷却速度对钢的组织和性能的影响这一问题作了许多工作，下面 简要介绍一些针对低碳贝氏体钢的研究成果。 刘澄等对低碳低合金贝氏体钢2 0 m n 2 w n b b 的研究发现，这种钢在较高的冷却 速度( 1 2 0 0 r a i n ) 下，获得低碳下贝氏体加回火板条马氏体组织，钢具有最佳的 强度和韧性。随着冷却速度不断降低，形成的是粒状贝氏体和低碳上贝氏体。粒状 贝氏体中m a 岛中孪晶马氏体增多和上贝氏体条间碳化物尺寸增大，使铜的冲击韧 度明显降低h j 。 张雁等研究了屈服强度为6 0 0 m p a 级的2 0 m n 2 s i l v b 空冷贝氏体钢在高温奥氏 体化后冷却速度对显微组织和力学性能的影响。结果表明，该钢在8 0 0 5 0 0 获 得贝氏体组织的平均冷却速度为0 5 s 1 0 0 s ；随冷却速度不同，贝氏体组织 中所含粒状贝氏体、无碳化物贝氏体和低碳下贝氏体的含量也不相同，但其对强度 和塑性影响不大瞵】。 王佳夫等研究了冷却速度对7 0 0 m p a 级超级钢组织和性能的影响，发现在较低 的冷却速度( 低于5 s ) 下即可得到全贝氏体组织。通过比较5 0 0 m p a 和7 0 0 m p a 两个强度级别h s l a 钢的组织和性能随冷却速度的变化情况，发现冷却速度增大时， 5 0 0 m p a 级钢的晶粒明显变细，但力学性能的改善并不显著，而由于n b ( c ，n ) 等 析出物的作用，7 0 0 m p a 级钢的晶粒尺寸变化不大【9 1 。 周贤良等研究了冷却速度对s i m n m o 系低碳贝氏体钢组织形态的影响，结 果表明，在不同的冷却速度下可以得到粒状贝氏体( 1 5 6 m i n ) 、粒状组织 ( o 8 r a i n ) 或两者的混合组织。粒状贝氏体与粒状组织中都存在m a 岛，随冷 速增加，岛的平均直径减小，岛的形状由颗粒状向条状，甚至膜状转变【l 们。 1 4 形变热处理 1 4 1 形变热处理的方法和工艺 4 华北电力大学硕士学位论文 形变热处理是将形变与相变结合在一起的一种热处理工艺，它能起到形变强化 与相变强化的综合作用，是一种既可以提高强度，又可以改善塑性和韧性的最有效 的工艺。多年以来，人们对形变热处理方法及工艺的研究工作已进行的相当深入， 其种类繁多，名称也很不统一。在相关的文献中，我们会经常看到“形变诱导相变”、 “应变诱导相变”，“形变强化相变”等许多相似易混淆的名词，对初次接触这一领域 的工作者往往造成一定的困难。 2 0 世纪8 0 年代，y a d a 等人在实验室模拟轧机上将c - - m n 钢的铁素体晶粒细 化至2 3 t t m ，他们提出了形变诱导相交( d e f o r m a t i o n i n d u c e d t r a n s f o n n a t i o n ，d i t ) 的概念。9 0 年代中期，p d h o d g s o n 等人将n b t i 复合微合金钢在实验室单机架 轧机上将带材表面的铁素体晶粒细化至l l t m ，并提出了应变诱导相变( s t r a i ni n d u c e d t r a n s f o r m a t i o n ，s i t ) 的概念。把在低碳钢中产生超细铁素体( u l t r af i n ef e r r i t e ， u f f ) 技术成为应变诱导相变轧制( s t r a i ni n d u c e dt r a n s f o r m a t i o nr o l l i n g ，s i t r ) 确立了这一过程的3 个关键因素：大过冷、大应变和轧制温度略高于a r 3 点。对这 种相变也有应变诱导铁素体相变( s t r a i ni n d u c e df e r r i t et r a n s f o r m a t i o n ，s i f t ) 和应 变强化铁素体相变( s t r a i ne n h a n c e df e r r i t et r a n s f o r m a t i o n ，s e f t ) 的提法。1 9 9 7 年，我国在开展攀登计划“微合金高强度韧钢的基础研究”中，接受了应变诱导相变 的概念。在1 9 9 8 年以后系统的工作中，认识到不仅仅是应变，而是钢的化学成分、 凝固后的原始状态、应力、应变、应变速率、道次冷却和停留时间、轧后的空冷等 多变量多因素的耦合过程。翁宇庆认为把“应变诱导铁素体相变”( s t r a i ni n d u c e d f e r r i t et r a n s f o r m m i o n ，s i f t ) 深化为“形变诱导铁素体相变”( d e f o r m m i o ni n d u c e d f e r d t et r a n s f o r m m i o n ，d i t ) 更能反映其本质，并与“形变强化铁素体相变” ( d e f o r m a t i o ne n h a n c e d f e r r i t et r a n s f o r m a t i o n ，d e f t ) 的提法用“形变诱导( 强 化) 铁素体相变”加以综合【l l 】。 控轧控冷( t h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o l l e dp r o c e s s i n g ，t m c p ) 技术也是经常被 提到的形变热处理工艺。如图1 - i 所示，现行的t m c p 工艺由再结晶 r 区轧制、未 再结晶1 r 区轧制、( a + 丫) 二相区轧制和加速冷却四个阶段组成。牧正志将低碳钢 奥氏体发生铁素体相变时的铁素体晶粒细化归纳为下面四种方法：细化母相丫； 使加工硬化状态的t 转变；使较粗大( 约l l , t m 以上) 的夹杂物和析出物在母相 丫晶粒内弥散分布；增大过冷速度。这样，现行的t m c p 工艺便巧妙地组合了以 上除外的三种铁素体晶粒细化方法，所以在热轧状态也能获得细小的铁素体晶粒 ( 5 t i m 左右) 1 2 1 。 华北电力大学硕士学位论文 捌 螨 时问 图1 - 1 低碳钢t m c p 的四个阶段及各阶段的组织”l f i g 1 1f o u rs t a g e sd u r i n gt m c pa n dm i c r o s t m c t u r e si nt h es t a g e sf o rl o wc a r b o ns t e e l l l 2 l 关于形变热处理工艺的分类方法也比较多，如按照形变的温度范围可分为低温 形变热处理和高温形变热处理；按照形变和相变的相互顺序可分为形变在相变前进 行、形变在相变中进行和形变在相变后进行等等。文献【1 3 】将钢的形变热处理工艺 方法进行了比较详细的分类，可供参考。 形变热处理工艺不仅是细化铁素体晶粒的重要方法，经试验证实，其对马氏体 钢和贝氏体钢相变后的组织也有细化作用。潘大刚等在热模拟实验机上分别对两种 钢( 高淬透性钢和低淬透性钢) 进行了形变热处理工艺的模拟，并对淬火后获得的 马氏体和贝氏体组织分别进行了观察分析，发现在奥氏体未结晶区形变并淬火后， 马氏体包的尺寸增大，而马氏体束的尺寸明显减小并发生弯曲，钢的强韧性得到提 高。在贝氏体相变中，形变促进了铁素体的析出，且贝氏体晶粒细化的效果非常明 显，钢的强度略降，塑韧性提高【l ”。 1 4 2 形变温度对钢的组织和性能的影响 形变温度是形变热处理工艺的重要参数之一，是形变热处理过程的重要影响因 素。下面简要介绍一些学者针对形变温度所作的研究工作。 杨平等研究了热模拟单向压缩条件下形变温度对q 2 3 5 碳素钢应变诱导相变过 程组织变化的影响。结果表明，随形变温度的降低，组织变化的规律为由奥氏体的 动态再结晶为主，过渡到奥氏体动态再结晶与铁素体的诱导析出同时进行，再过渡 到铁素体的析出与铁素体的动态再结晶相继进行的过程。奥氏体的动态再结晶影响 6 华北电力大学硕士学位论文 了铁素体的形态、分布与细化效果。高温形变后的保温会导致铁素体向奥氏体的逆 转变旧。 惠卫军等研究了热模拟单向压缩条件下形变温度对工业生产中的中碳冷镦钢 s w r c h3 5 k 组织转变的影响。结果表明，形变温度低于a d 3 ( a 3 由于形交储能的 影响上升为a d 3 ) 时，析出形变诱导铁素体，碳原子于铁素体晶界和铁素体奥氏体 界面上富集，铁素体量随形交温度降低而提高。不同温度范围内形变后，在低于a i 点下等温处理，得到不同组织：高于a d 3 形变时，不析出形变诱导铁素体，奥氏体 转变为铁素体+ 片层状珠光体；低于a d 3 但高于a r 3 形变时，未转变奥氏体转变为 铁素体+ 片层状珠光体+ 晶界渗碳体；稍高于a t 3 形变时，得到铁素体+ 弥散渗碳 体的球化组织【1 6 】。 1 5 贝氏体马氏体复相钢 低合金高强度钢广泛应用于压力容器、汽车制造、航空、航天等高新科技领域。工 业生产中一般采用淬火、低温回火工艺获得回火马氏体，使其具有良好的强韧性，但是 由于淬透性的原因，一些截面尺寸比较大的工件淬火后的组织通常会含有一定数量的贝 氏体。2 0 世纪6 0 年代，人们在某些低合金高强度钢中发现贝氏体马氏体复相组织的强 韧性优于单一马氏体组织，从此，贝氏体马氏体复相组织引起了人们的重视。一些日本 学者的研究表明，下贝氏体马氏体复相组织可以改善钢的强韧性，且存在一个最佳的下 贝氏体含量，而上贝氏体马氏体复相组织恶化钢的强韧性；经不同温度、不同时间等温 处理获得的不同无碳化物贝氏体含量的贝氏体马氏体混合组织均改善钢的强韧性，且等 温处理温度越低，改善越显掣3 1 7 l 。 鉴于组织状态为回火马氏体、强度超过1 2 0 0 m p a 的商用高强度低合金钢存在韧性 不足，延迟断裂抗力低，疲劳性能强烈受夹杂物影响而数据分散度大等问题，清华大学 贝氏体推广中心设计并试验成功了1 5 0 0 m p a 级低碳无碳化物贝氏体马氏体复相钢。此 类钢的无碳化物贝氏体马氏体复相组织推迟第一类回火脆性开始温度，使钢可以在更高 温度下回火；具有较高的回火抗力，中温回火后具有较高的强韧性；具有较高的延迟断 裂抗力，经中温回火后可迸一步提高延迟断裂抗力。在高速重载铁路辙叉和大型1 4 9 级高强度螺栓方面，此钢已得到应用【l “。 1 6 本文的主要研究内容 本文的主要内容分为如下三个方面： ( 1 ) 两种m _ n - n i c r - m o 钢和m n s i c r 钢临界温度和c c t 曲线图的测定： 采用膨胀法，测定了两种实验钢的临界温度；通过模拟不同直径圆棒空冷时轴心处 7 华北电力大学硕士学位论文 温度随时间变化的方式建立c c t 曲线图；分析冷却速度对组织转变温度、显微组织类 型、维氏硬度以及贝氏体马氏体复相组织中贝氏体量的影响。 ( 2 ) 冷却速度对无碳化物贝氏体马氏体复相钢组织和性能的影响： 通过显微组织观察、断口分析、能谱分析、数字化冲击实验以及用x 射线衍射法测 定残余奥氏体的含量等，研究了不同冷却速度对无碳化物贝氏体马氏体复相钢组织和性 能的影响；并对比了两种奥氏体化温度下，模拟空冷得到的显微组织的差别。 ( 3 ) 形变温度对贝氏体马氏体复相钢组织和性能的影响： 通过显微组织观察、断口分析和数字化冲击实验等，研究了热模拟单向压缩条件 下形变温度对下贝氏体马氏体复相钢和无碳化物贝氏体马氏体复相钢组织和性能的 影响。 华北电力大学硕士学位论文 第二章实验钢的临界点和c c t 曲线的测定 2 1 实验材料和方法 本实验采用两种材料研究：g b l 钢和b s d 钢，其化学成分见表2 1 。 表2 - 1实验钢的化学成分( 质量分数，) t a b l e2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t e s ts t e e l ( 叭) 标号c m npss in ic rc um ovs n g b l0 2 22 30 0 1 60 0 0 21 7 60 5 7一一一0 o l b s d0 2 52 30 0 1 20 0 0 50 3 01 1 50 8 60 0 30 3 60 0 60 0 1 实验钢为上钢五厂采用电弧炉熔炼，并经炉外精炼。实验用f o r m a s t e r 试样由 0 6 0 m m 棒料改锻而成。试样预备热处理工艺为7 0 0 高温回火2 h ，试样尺寸为 0 3 m m x l o m m ，一端开0 2 m m x 2 m m 的凹孔，以焊接热电偶。 为防止脱碳，在实验前对试样进行了镀镍处理。先将试样在稀盐酸中酸洗5 m i n ， 再放入丙酮溶液中超声波清洗3 r a i n ，清水洗净、吹干。电镀过程中，试样接阴极、 镍片接阳极，通过整流器将电流密度控制在l 安培分米2 。所采用电镀液成分为： 1 5 9 n i s 0 4 7 h 2 0 、1 5 9 n h 4 c 1 、1 5 9 h 3 8 0 3 溶于蒸馏水，配制成l o o m l 溶液f 2 0 】；电 镀时间约2 0 3 0 m i n ：环境温度为室温。 采用f o r m a s t e rd i g i t a lm o d e lf t m 4 型相变仪分别测定了两种实验材料的临界 温度a r 和a c 以及m s 、m f 相变点。奥氏体化的工艺为：将试样以3 r a i n 的速率 加热到9 1 0 ，保温1 0 m i n 。测定c c t 曲线时，3 r a i n 将试样加热至9 1 0 ，保温1 0 r a i n ， 冷却过程分别模拟两种实验材料不同直径的圆棒空冷时轴心处温度随时间的变化 l s l ，模拟空冷冷却速度的选择见表2 2 。 表2 - 2 测定实验钢c c t 曲线时冷却速度的选择 t a b l e2 - 2c h o i c e so fc o o l i n gr a t e sf o rc c tc u w e st e s t 实验材料 0 50 7 5m 1 0毗o0 3 00 4 0巾5 0m 7 5m 1 0 0 g b l选用选用选用选用选用选用选用选用一 b s d一 一选用选用选用选用选用选用选用 采用o l y m p u sp m e 3 型光学显微镜和f e iq u a n t a 2 0 0 f 型扫描电子显微镜观 9 华北电力大学硕士学位论文 察显微组织；采用f u t u r e t e c hf m 3 0 0 显微硬度计测量试样的维氏硬度。 2 2 临界点和其他相变点的测定 相变点的测定方法不止一种，膨胀法是比较常用的一种，此外还有计算法、金 相法等。膨胀法是根据钢的高温奥氏体及其转变产物( 铁素体、珠光体、贝氏体和 马氏体) 具有不同的比容，通过膨胀仪对试样进行加热和冷却，并记录下温度变化 过程中试样膨胀量的变化曲线，据此膨胀曲线测定出各相变点。本实验中各相交点 的测定采用膨胀法。 在膨胀曲线上确定相变点的位置，通用的方法有切线法、极值法、平均法和角 切法等。其中，切线法是把膨胀曲线上纯热膨胀( 或纯冷收缩) 的直线段延长，以 曲线开始偏离的位置即切点所对应的温度作为相变点温度，如图2 - 1 所示。切线法 简单方便，符合金属学原理，但所得结果容易受主观因素影响。为了消除试样在高 温相变时热效应所引起的附加膨胀量，可采用偏离一定转变量( 例如1 2 5 ) 作 为转变点，这样有利于减少误差和分散度【舢。本实验中选取转变量为2 处作为转变 点。其他确定相变点位置的方法可参见文献 4 】。 图2 - 1 切线法确定相变点位置示意图 f i g 2 1l o c a t i n gt h ep h a s et r a n s i t i o np o i n t sb yt a n g e n t i a lm e t h o d 2 2 1 临界点a c 和a r 的测定 经9 1 0 c 奥氏体化的试样，以3 r a i n 的速率冷却来测定实验钢的a c 和a r 临 界温度，实验结果见表2 3 。需要说明的是，a c l 没有获得有效值是因为试样的原始 组织为回火索氏体，故不存在加热过程中珠光体向奥氏体的转变，也就不存在a c l 临界点。随后的组织观察表明，对于g b l 钢，在冷却过程中由于珠光体的转变温度 1 0 华北电力大学硕士学位论文 低，层片间距小而分辨不开，从而在光学显微镜下呈暗色块状，见图2 - 2 a ：对于b s d 钢，在3 c m i n 的冷却速度下，与g b l 钢组织中有明显铁素体析出不同的是，其组 织中没有典型的铁素体析出，如图2 2 b 所示，所以，根据b s d 钢的膨胀实验结果 曲线中膨胀量变化得到的相变温度值来作为其a r 值是不妥的，即此次实验没有得 出b s d 钢的a r l 和a t 3 温度。 表2 - 3 g b l 钢和b s d 钢的a c 和a r 转变温度， t a b l e2 - 3t r a n s i t i o nt c m p e r a m r eo f g b ia n db s ds t e e l a c la c 3 a r l a r 3 g b l 8 0 55 0 17 5 0 b s d 730 ( a )( b ) 图2 - 2 实验钢以3 c m i n 冷却后的显微组织 ( a ) g b l 钢( b ) b s d 钢 f i g 2 2m i c r o s t r u c t u r eo f t e s ts t e e lu n d e rac o o l i n gr a t eo f 3 c m i n ( a ) g b ls t e e l ( b ) b s ds t e e l 2 2 2 相变点m s 和m f 的测定 经9 1 0 奥氏体化的试样，采用a r 气冷却测定两种实验钢的马氏体转变开始温 度m s 点和马氏体转变结束温度m f 点。 图2 3 中所示曲线为g b l 钢测定m s 和m f 点的膨胀曲线，曲线上的两处偏折 即是马氏体转变的开始和终了造成的。图中的直线a d 和b c 分别是转变开始和转 变终了处延长纯热膨胀段做出的切线，a 、b 分别为切点，若按照切线法即取此两 点为m s 和m f 点。如前所述，为了消除试样在高温相变时热效应所引起的附加膨胀 量，本实验中选取转变量为2 处作为转变点，所以分别从切点a 、b 引平行于纵坐 华北电力大学硕士学位论文 标的直线交另一切线于点c 、d ，再分别取线段a c 和b d 两端2 处，连接对应点， 交膨胀曲线于a 和b 点，将此两点标定为g b l 钢的m s 和m f 点。b s d 钢m s 和 m f 点的测定同样按照此方法进行，图略。 暑 互 _ j q t m n p m 譬t u m 图2 3 g b i 钢m s 和m f 点的测定 f i g 2 - 3l o c a t i n gt h em sa n dm f p o i n t so f g b ls t e e l 根据膨胀曲线测得g b l 钢m s 点为3 4 0 。c ，m f 点为1 7 5 ；b s d 钢m s 点为3 3 0 。c ， m f 点为1 8 0 。 此外，又通过计算法对两种实验钢的m s 值进行了估算，经验公式采用式( 2 1 ) 【4 l ： m s ( ) = 5 2 5 3 5 0 ( c 0 0 5 ) 4 5 m n 3 5 v 一3 0 c r - 2 0 n i 1 6 m o 8 w 5 s i + 6 c o + 1 5 a l( 2 1 ) 代入数值，经计算可得：g b l 钢m s 点为3 5 5 2 ，b s d 钢m s 点为2 8 9 1 。 与膨胀法实验得出的m s 点对比，g b l 钢基本符合，b s d 钢计算法得出的m s 点偏 低。 2 2 3 冷却速度对冷却过程中各相变点的影响 钢在奥氏体化后的冷却过程中，采用不同的冷却速度会发生不同类型的相交， 1 2 华北电力大学硕士学位论文 从而得到不同的组织，所以，相变点温度也会有所不同。采用2 2 2 中所述标定实 验钢m s 和m f 点的方法，对两种材料各个冷速下的膨胀曲线进行处理，得出了冷却 速度对钢的铁素体转变开始温度f s ，贝氏体转变开始温度b s ，贝氏体转变终了温 度b s ，马氏体转变开始温度m s 和马氏体转变终了温度m f 的影响，实验结果见表 2 4 和表2 5 。表中有些相交点温度没有得到是因为在冷却过程中发生的相变不是单 一类型的，而且往往不同类型的相变会在某个阶段同时进行，这样反映在膨胀曲线 上的偏折也将是不同类型相变相叠加的结果，所以，有些相变点便无法从膨胀曲线 中分离标定出来。另外，个别标定出的相变点存在明显的误差，偏离正常范围较多， 已将其略去。 表2 4 冷却速度对g b l 钢各相变点的影响 t a b l e2 - 4e f f e c to f c o o l i n gr a t eo np h a s et r a n s i t i o np o i n t so f g b ls t e e l 模拟圆棒直径，n f f n 57 5l o2 03 04 05 07 5 f s ，5 7 56 2 56 1 06 7 0 b s 。3 7 53 7 53 7 54 2 54 2 54 2 04 2 04 2 0 b f ， 2 2 52 2 53 2 0 3 1 0 舰， 3 2 03 2 53 2 5 m o1 2 1 7 51 6 01 7 5 表2 - 5 冷却速度对b s d 钢各相变点的影响 t a b l e2 - 5e f f e c to f c o o l i n gr a t eo np h a s et r a n s i t i o np o i n t so f b s ds t e e l 模拟圆棒直径，m m 1 02 03 04 05 07 51 0 0 b s ，3 6 53 8 0 3 9 03 9 03 9 0 b p 2 5 02 5 0 h ， 3 2 53 2 0 3 2 0 m p 1 9 01 9 02 0 01 9 02 0 5 2 3 实验钢c c t 曲线的测定 c c t 曲线的建立方法多种多样，也可综合各种方法来建立。在本实验中，采用 膨胀法建立两种实验钢的c c t 曲线。参考2 2 3 中不同冷速下各相变点温度，作出 g b l 钢和b s d 钢的c c t 曲线，如图2 - 4 和2 5 所示。 华北电力大学硕士学位论文 蕾伽1 0 0 0 图2 4 g b l 钢的c c t 曲线 f i g 2 - 4c c t c u r v eo fg b ls t e e l 锄1 图2 5b s d 钢的c c t 曲线 f i g 2 5c c t c u r v eo fb s ds t e e l 1 4 哪 蛳 枷 m 蛳 m 枷 蛳 抛 伽 o p暑墨墨暑ll- 槲 螂 啪 瑚 蛳 啪 椭 撕 狮 伽 o p璺豆芒墨昌p工- 华北电力大学硕士学位论文 2 4 组织分析 从表2 - 4 的实验结果可以看出，g b i 钢模拟0 5 2 0 m m 的圆棒空冷均可获得无 碳化物贝氏体+ 马氏体复相组织，而0 3 0 m m 的圆棒空冷后获得铁素体+ 无碳化物贝 氏体+ 马氏体组织，0 4 0 m m 以上的圆棒空冷后获得铁素体+ 无碳化物贝氏体组织。 显微组织的观察表明，块状铁素体在晶界上析出，随着冷却速度的降低( 即模拟圆 棒直径增大) ，铁素体的量有所增加，其典型显微组织见图2 - 6 。 ( a )( b )( c ) 图2 - 6g b i 钢在不同冷速下的显微组织 ( a ) 模拟0 2 0 圆棒空冷( c f b + m ) ( b ) 模拟0 3 0 圆棒空冷( f + c f b + m ) ( c ) 模拟0 5 0 圆棒空冷( f + c f b ) f i g 2 - 6m i c r o s t r u c t u r eo f g b ls t e e ls i m u l a t i n g0 2 0 ( a ) ，0 3 0 ( b ) a n d 0 5 0 ( c ) a i rc o o l e db a r s 从表2 5 的实验结果可见，b s d 钢所模拟的不同直径圆棒空冷均得到下贝氏体 马氏体复相组织，显微组织的观察也与此相符合，见图2 7 。 图2 7b s d 钢的显微组织( 模拟0 4 0 圆棒空冷) f i g 2 7m i c r o s t r u c t u r eo fb s ds t e e l ( s i m u l a t i n g0 4 0a i rc o o l e db a r s ) 华北电力大学硕士学位论文 2 5 贝氏体相对量的确定 复相组织中的贝氏体和马氏体在组织形貌上较难区分开来，故根据膨胀曲线采 用杠杆法【2 1 1 计算了贝氏体的相对量。对于g b l 钢，模拟0 2 0 m m 以下的圆棒空冷后 均获得无碳化物贝氏体马氏体复相组织，所以，对这部分冷速条件下无碳化物贝氏 体的相对量做了计算，结果见表2 - 6 。对于b s d 钢，实验中所有冷速下均得到下贝 氏体马氏体复相组织，其中下贝氏体相对量的计算结果见表2 7 。表2 6 和表2 7 的结果表明，随着冷却速度的降低，两种实验钢的复相组织中贝氏体相对量不断增 加。 表2 - 6g b i 钢不同冷速条件下无碳化物贝氏体的数量 t a b l e2 - 6c f bt r a n s f o r m a t i o no f g b is t e e lu n d e rd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e s 模拟圆棒直径，m i l l 0 50 7 5m 1 00 2 0 无碳化物贝氏体量， 2 02 5 3 23 9 表2 - 7b s d 钢不同冷速条件下下贝氏体的数量 t a b l c2 7l o w e rb a i n i t et r a n s f o r m a t i o no f b s ds t e e l u n d e rd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e s 模拟圆棒直径，砌 m 1 00 2 00 3 00 4 0 m 5 00 7 5巾1 0 0 下贝氏体量， 1 02 85 79 51 4 21 9 92 6 6 2 6 硬度分析 两种实验钢在不同冷却速度下的维氏硬度见表2 - 8 。 表2 - 8 不同冷速条件下实验钢的硬度( h v ) t a b l e2 - 8h a r d n e s so ft e s ts t e e lu n d e rd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e s 模拟圆棒直径， 0 50 7 50 1 0m