（材料加工工程专业论文）变形工艺对微合金钢组织的影响.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 微合金高强度钢的开发是当今钢铁研究领域的热点之一 也是市场需求的新趋势 变 形工艺的制定是微合金高强度钢开发和生产的关键环节 而过冷奥氏体连续冷却转变曲线 c c t 曲线 是制定加热 轧制 冷却 退火等工艺的重要依据 本文采用热膨胀法和金相法相结合的办法 通过t h e i m e c m a s t o rz 热模拟实验 机进行变形一冷却实验 测定出试样在不同冷却速度下连续冷却时的膨胀曲线 并用o r i 百n 软件绘制了试验钢种的连续冷却转变 c c t 曲线 利用光学显微镜及电镜观察了微合金高强度钢在不同变形工艺条件下显微组织 并分 析了有关工艺参数对显微组织的影响 以及试验钢种在不同变形工艺条件下的相变规律 研究了微合金钢连续冷却过程中奥氏体的转变过程及转变产物的组织 旨在探讨试验钢种 连续冷却转变规律 工艺参数对其相变和组织的影响 为该钢种生产工艺制度的制定提供 依据 关键词 微合金钢 变形工艺 热模拟试验 c c t 曲线 微观组织 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n er e s e a r c ho fm i c r o a t t o y e ds t e e li sah o tp o i n to fs t e e la r e a i ti sa l s oan e wt e n d e n c yo f t h em a r k e tr e q u i r e m e n t i ti st h ek e ya s p e c to fr e s e a r c h i n ga n dp r o d u c t i o nm i c r o a l l o y e ds t e e lt o d r a w 印d e f o r m a t i o np a r a m e t e r w l l i l eo v e r c o o l i n ga u s t e n i t ec o n f m u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o n c u r v e sa r ei m p o r t a n tb a s e so fd e t e r m i n i n gt h et e c h n o l o g yo f h e a t i n g r o l l i n g c o o l i n g a n n e a l i n g e r e u s i n gd i l a t a t i o nm e t h o da n dm i c r o s c o p i ct e s t s t h ee x p a n d i n gc u r v e sa td i f f e r e n tc o o l i n g r a t e sw e r em e a s u r e da n dd e t e r m i n e dw i t ht h e r m e c m a s t o 嵋t h e r m a ls i m u l a t i o nm a c h i n e t h e e x p a n s i o nc u r v e so fp h a s et r a n s f o r m a t i o na n dt h ec o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o n c c t c u r v e sh a v eb e e np l o t t e db yo r i g i ns o f t w a r e i na d d i t i o n b ym i c r o s t r u c t u r ea n a l y s e so fo p t i c a lm i c r o s c o p ea n ds e m m i e r o s t r u e t u r e so f m i c r o a l l o y e ds t e e lu n d e rd i f f e r e n td e f o r m a t i o np a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e d a n d t h ee f f e c t so f d e f o r m a t i o np a r a m e t e r so nm i c r o s t m e t u r ea n dp h a s et r a n s f o r m a t i o no ft h em i c r o a l l o y e dh i 曲 s t r e n g t hs t e e lw e r ea n a l y z e d t 1 1 et r a n s f o r m a t i o np r o c e s s e so f a u s t e n i t i co fa l l o y e ds t e e l sd u r i n g c o n t i n u o u sc o o l i n g a n dt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so f t r a n s f o r m e dp h a s e sw e r es t u d i e d w h i c hp r o v i d e st h et h e o r e t i c a l l yb a s i sf o rd e t e r m i n i n go f p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s m i c r o a l l o y e ds t e e l d e f o r m a t i o np a r a m e t e r t h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t c o n t i n u o u s c o o l i n gt r a n s f o r m a t i o nc u r v e m i c r o s t m e t u r e 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下 独立进行研 究所取得的成果 除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 论文作者签名 j 旺日期 芈 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有 其研究内容不得以其它单位 的名义发表 本人完全了解武汉科技大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向有关部门 按照 武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定 执行 送交论文的复印件和电子版本 允许论文被查阅和借阅 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务 论文作者签名 指导教师签名 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章引言 1 1 课题的来源 变形工艺对微合金钢组织的影响 这个课题是以国内某厂新型微合金高强度钢的开 发研究为背景提出来的 也是 微合金高强度钢开发项目 的子课题 本课题着眼于微合金钢c c t 曲线的研究 通过热模拟实验数据作出微合金高强度钢的 c c t 曲线 比较变形温度 变形速度 变形程度以及不同变形道次 变形后冷却速度等工 艺参数对微合金钢组织的影响 找出其影响规律 给出理论解释 为微合金高强度钢控轧 控冷工艺的制定和改进以及新型微合金高强度钢的开发奠定基础 1 2 研究意义 人类社会的发展已经进入一个前所未有的新时期 社会的发展对传统的钢铁材料提出 了越来越多的更高的要求 随着有色金属 塑料 陶瓷及其他非金属材料的迅速发展 这 些新材料以其工艺简单 质优价廉 比强度高 抗蚀性好 或具有一些特殊的应用功能 在一些领域逐步取代了传统的钢铁材料 对钢铁产业形成了巨大的压力 如何摆脱这种日 渐衰败的趋势 钢铁产业的出路又在何方 这已成为钢铁从业人员积极探索的问题 新一 代钢铁材料的深入研究和应用开发正成为2 1 世纪钢铁材料界的重要任务 这一问题引起了各国政府和钢铁材料界专家的重视 1 9 9 7 年到1 9 9 8 年 日本 中国 韩国在各国政府支持下相继开展了此项研究工作 各国的侧重点和具体技术方案虽有差 异 但基本思路是相同的 通过细化钢的组织 提高钢的洁净度 改善钢的均匀性 提高 其强度和使用寿命 后来日本提出超细 超净 超匀的所谓 三超 钢 它似乎为钢铁行 业的发展亮出了一道曙光 然而 由于制造成本太高 除了在一些特殊场合应用外 距离 普及程度还相差很远 因此 我们必须结合中国国情找到一条适合中国钢铁的发展之路 我国正在进行大规模经济建设 高层建筑 轻型节能汽车 高速铁路 重载桥梁 油 气输送管线 工程机械 大型船舶等各领域都需要大量性能好 使用寿命长 价格低廉的 钢材 单纯走扩大生产规模的路子 在资金投入 资源消耗 交通运输 环境保护等方面 造成很大的压力 为贯彻可持续发展的方针 要在节约能源与资源 降低生产成本的基础 上 大幅度提高钢材的强度和使用寿命 开发新一代钢铁材料 中国目前的钢铁消耗量还 比较大而且中国有较为丰富而廉价的合金资源 发展合金钢不仅具有重大的经济意义而且 具有深远的社会意义 从企业自身发展的角度来讲 近几年来 随着我国钢铁工业的迅猛发展 我国的钢材 生产总量也逐年大增 甚至有专家和学者提出了我国钢铁生产已出现 产能过剩 的观点 这就使得我国钢材市场出现了 供大于求 的现象 从而加剧了钢材市场竞争的激烈程度 国内各钢铁生产企业为适应日趋激烈的市场竞争环境 纷纷展开了钢材新品种的开发 微 合金钢就是钢材新品种开发的一个重要领域 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 1微合金钢及其特点 微合金化高强度低合金钢 m i c r o a l l o y e dh i g hs t r e n 酉hl o wa l l o ys t e e l 简称微合金钢 m i c r o a l l o y e ds t e e l 是近3 0 年来在普碳软钢和普通低合金高强度钢的基础上迅速发展 起来的工程结构用钢 系采用铌 钒 钛进行微合金化具有高性能的新型高强度钢 啦 微合金化钢是在普通的低碳或超低碳c m n 钢中添加微量 总量通常小于0 1 5 的强 碳氮化物形成元素 主要包括n b v t i 等 进行合金化 严格控制钢的高纯净度 杂质 总含量 w n w o w p w s 2 5 以外 所有合金元素溶入奥氏体后都增加过冷奥氏 体的稳定性 使过冷奥氏体连续冷却转变曲线右移 并使m s 点降低 c o 降低过冷奥氏体的 稳定性 使过冷奥氏体连续冷却转变曲线左移 m s 点升高 c r m o w v t i 等碳化物形成元素 溶入奥氏体后 除在不同程度上降低珠光体 和贝氏体的转变速度 使过冷奥氏体连续冷却转变曲线右移外 还能改变其形状 非碳化 物或弱碳化物形成元素n i m n s i c u b 等 都不同程度地降低珠光体和贝氏体的转变 速度 使过冷奥氏体连续转变向右移动 但不改变其形状 如果钢中同时含有几种合金元 素时 其综合作用比单一元素的作用更加复杂 2 7 合金元素对等温转变曲线的影响 2 7 1 合金元素对过冷奥氏体稳定性的影响 钢的t t t 曲线又称 c 曲线 合金元素对c 曲线的影响 一般分为两种类型 非碳 化物形成元素 n i 舢 s i c u c o 属于第一种类型 碳化物形成元素 c r m o w v 等 属于第二种类型 钢中加入非碳化物形成元素后 c 曲线仍然保持与碳钢相同的形式 只是位置有所改 变 n i s i c u 等元素导致孕育期延长 即c 曲线右移 砧 c o 则相反 使c 曲线左移 钢中加入碳化物形成元素后 不仅使c 曲线位置右移 而且使c 曲线的形状发生变化 出现两个鼻尖 甚至使珠光体区域与贝氏体区域完全分开 在珠光体 p e a l l i t e 简写为p 和贝氏体 b m m m 简写为b 转变之间出现一个过冷奥氏体极其稳定的温度区域 奥氏体 觚t e l l i t e 简写为a 的等温转变动力学曲线 即c 曲线的形式取决于多种 因素 碳素钢以及含有非碳化物形成元素n i s i c u c o 的低合金钢 奥氏体等温转变 曲线具有单一的c 形 珠光体和贝氏体转变没有分开 并且有一个最大转变速度 在连续 冷却时 根据冷却速度的不同 这类钢有可能获得三种类型的组织 马氏体 冷却速度高 于临界冷速时 马氏体 铁素体 碳化物 铁素体 碳化物 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 含c r m o w v 等碳化物形成元素的合金钢 转变曲线分解成珠光体和贝氏体转 变两部分 故有两个最大转变速度 含碳量达0 4 0 4 5 0 结构钢最大转变速度在中温转变 温度范围内出现 而含碳量较高时 最大转变速度则在珠光体转变温度范围出现 c r n i m o 和c r n i w 合金化的钢 当含碳量在o 1 5 o 2 5 范围内时 其特点是 在珠光体转变区过冷奥氏体具有很高的稳定性 因而不出现珠光体转变区 只出现贝氏体 转变区 在高铬钢中 贝氏体转变被强烈地延迟并移向马氏体转变温度范围 因而只有珠光体 转变 不出现贝氏体转变 在高合金奥氏体钢中 含量很高的c r n i m n c 使马氏体 转变温度低于室温 而且实际上观察不到奥氏体向珠光体和贝氏体的转变 在这类钢中 如果奥氏体含碳量高 过冷时可能有特殊碳化物析出 2 l 2 7 2 合金元素对珠光体转变的影响 当钢中的合金元素充分溶于奥氏体的情况下 除c o 外 所有的常用合金元素均使珠 光体转变的孕育期增长 转变速度减慢 除n i m n 以外 所有的常用合金元素均使珠光 体转变 鼻子 移向高温 低碳低合金钢经加热奥氏体化后缓慢冷却时 在一个相当大的冷却速度范围内 将转 变为先共析铁素体 珠光体 对于含m o v n b t i 等特殊碳化物形成元素的低碳合金 钢 从奥氏体状态缓慢冷却时 除析出铁素体外 还沉淀析出特殊碳化物并发生相间析出 其沉淀温度范围在8 0 0 5 0 0 之间 由于这些碳化物或氮化物细小弥散 因此将使钢的硬 度 强度增高 2 7 0 合金元素对贝氏体转变的影响 当钢中的碳含量 合金元素含量和类型变化时 b s b a i n i t 鼯s w i n gp o i n t 点和贝氏 体转变速度也随之改变 钢中的碳强烈地推迟贝氏体转变 随着钢中碳含量的增加 贝氏 体转变速度减小 等温转变曲线右移 而且 鼻子 向下移 除c o 和a 1 加速贝氏体转变外 其它合金元素如m n n i c u c r m o w s i v 以及少量的b 都延缓贝氏体的形成 其中以m n c r n i 的影响最为显著 m o 对降低 贝氏体转变速度的影响 远远小于对珠光体转变的抑制作用 因此 在含碳量较低的m o 钢中 贝氏体转变曲线常常在珠光体转变曲线的右下方 w v 等元素加入钢中也像m o 一样有延缓贝氏体转变的作用 在0 5 0 4 6 0 c 的钢中加入m n 可显著减慢贝氏体转变 并降低贝氏体转变的温度 区间 当 含量从1 3 增加到5 1 时 转变速度减少至1 1 0 0 0 最大转变速度对应的 温度由5 0 0 降低到3 0 0 在1 c 的钢中加入3 5 c r 强烈地降低贝氏体转变的温度区间 延长相变的孕育 期 当c r 含量增加到1 0 以上时 经高温奥氏体化后 几乎不发生贝氏体转变 但在碳 含量较低的钢中 c r 对贝氏体转变的影响并不显著 无论哪一个合金元素 对贝氏体转变的滞缓作用都比该元素对珠光体的作用小 根据 不同合金元素的特点 又可分为以下几种情况 c r m n n i 等合金元素对贝氏体转变 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 有较大的滞缓作用 s i 虽然是非碳化物形成元素 但对贝氏体转变有较强烈的滞缓作用 m n w v 等元素的作用不同于c r m n 可加速贝氏体的转变 关于合金元素影响贝氏体转变速度的原因 可作如下解释 1 加入c m n n i 等稳定奥氏体的元素 使一定转变温度下的相变在b s 点自由能 差减小 因而降低了b s 点和在b s 点以下给定温度的相变驱动力 从而降低了贝氏体的形 核率和长大速度 使转变速度减慢 2 加入c r m o w v 等碳化物形成元素 使碳在奥氏体中的扩散速度降低 因而 使贝氏体中碳的脱溶困难 又因为这类元素与碳的亲和力较强 它们在奥氏体中可能与碳 形成 原子集团 使共格性的相界移动发生困难 结果使贝氏体转变减慢 3 不形成碳化物而又降低奥氏体稳定性的元素如a 1 或者不形成碳化物而又对奥氏 体稳定性影响不大但可提高碳的扩散速度的元素如c o 这类元素的加入都将加速贝氏体的 形成 2 7 4 合金元素对马氏体转变的影响 奥氏体钢成分对m s 点的影响非常显著 一般说来 m s 点主要取决于钢的化学成分 其中又以碳含量的影响最为显著 随着钢中碳含量的增加 马氏体转变温度下降 并且碳 含量对m s 和m f m a r t e n s i t ef i n i s h i n gp o i n t 的影响并不完全一致 对m s 点的影响呈连 续下降 对m f 点的影响视碳含量的不同而不同 n 对m s 点的影响有类似c 的作用 钢中常见的合金元素均有使m s 点降低的作用 但效果不如c 显著 只有a l 和c o 使 m s 点提高 降低m s 点的元素 按其影响的强烈程度可排列为 m n n i c r m o c u w v t i 其中w v t i 等强碳化物形成元素在钢中多以碳化物的形式存在 淬火加 热时一般溶入奥氏体中甚少 故对m s 点影响不大 钢中同时加入几种合金元素 其综合 影响比较简单 如钢中含碳量增加时 c r m n m o 降低m s 点的作用增大 碳钢中s i 含 量高时 s i 对降低m s 点的影响很弱 而n i c r 钢中s i 含量高时 将引起m s 点明显下降 合金元素对m s 点的影响主要决定于它们对平衡温度t o 的影响及对奥氏体的强化效 应 凡是剧烈降低t 0 温度及强化奥氏体的元素 均剧烈降低m s 点 如c u m n n i c r 的作用和c 类似 既降低t 0 温 又稍增高奥氏体的屈服强度 所以也降低m s 点 a l c o s i m o v t i 等均提高t 0 温度 但也不同程度地增加奥氏体的屈服强度 若提高 t 0 的作用大时 则使m s 点升高 如a 1 和c o 若强化奥氏体的作用大时 则使m s 降低 如m o w vt i 等 当这两种作用大致相当时 对m s 点影响不大 如s i 实际上 钢中 常含有多种元素 相互之间的影响十分复杂 合金元素对m f 点的影响 一般认为凡是降低m s 点的元素也使m f 点下降 但作用较 弱 2 8 合金元素对c c t 曲线的影响 合金元素对c c t 曲线的影响可以归纳为以下几点 2 2 l 非碳化物形成元素s i 增加过冷奥氏体的稳定性 推迟贝氏体转变的作用更显著 同时 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 降低贝氏体转变温度 升高珠光体最大转变速度对应的温度 使珠光体转变区和贝氏体转 变区分离 这种现象在转变后期更为明显 非碳化物形成元素n i 亦增加过冷奥氏体的稳定性 而推迟珠光体转变的作用更强烈 但在含量低时 这种影响不太明显 而含量超过1 0 时 珠光体转变区域消失 仅发生贝 氏体转变 强碳化物形成元素t i v n b w m o 等 溶于奥氏体中均可增大奥氏体的稳定性 而且推迟珠光体的作用比推迟贝氏体的作用更显著 同时 由于升高珠光体最大转变速度 的温度 降低贝氏体最大转变速度的温度 因此在c c t 图上分离成两个转变区 c r m a 为中 弱碳化物形成元素 它们有推迟珠光体和贝氏体转变的作用 而推迟 贝氏体的作用更显著 以上这些碳化物形成元素 如果未溶入奥氏体中 则反而降低过冷奥氏体的稳定性 促进其转变提前开始 1 硅的影响 s i 一般不改变曲线的形状 与碳素钢的相似 但降低奥氏体在6 0 0 7 0 0 时的稳定 性 并大大提高奥氏体在5 0 0 以下的稳定性 如果s i 含量大于0 2 0 时 奥氏体会出现 两个最大分解速度区 约在5 0 0 5 5 0 和2 5 0 3 0 0 附近 2 锰的影响 m n 降低钢的4 温度 减小转变时的过冷度 增大孕育期 使曲线右移 增加钢的淬 透性 对于高碳钢 随着m n 含量的增加 还使珠光体转变区向低温移动 中碳钢的m n 含量达1 8 0 以上时 奥氏体连续冷却转变曲线趋于复杂 有明显的贝氏体转变区出现 即使是低碳钢 正火也易出现贝氏体组织 m n 对中碳铬钢c c t 曲线的转变开始线和终止线的影响规律是 随着m n 含量的增加 转变开始线和终止线向右移 随着m n 含量的增加 珠光体转变区向高温移动 贝氏体转 变区移向低温 其结果使两个转变区越来越分离 3 铬的影响 c r 提高过冷奥氏体在高温 6 0 0 6 5 0 转变区 尤其是低温 3 0 0 一4 0 0 转变 区的稳定性 使孕育期增长 曲线向右移动 同时 随着c r 含量的增加 珠光体转变部 分移向高温 贝氏体转变部分移向低温 结果两部分逐渐分开 呈现两个 鼻子 而在3 5 0 一 4 5 0 出现奥氏体稳定性最大值 c r 是推迟贝氏体转变最有效的元素 它推迟贝氏体相变的作用比推迟珠光体相变的作 用大得多 珠光体转变速度最大的 鼻尖 向右移动不显著 而贝氏体转变速度最大的 鼻尖 却显著右移 当c r 和c 的含量高时 则贝氏体转变速度大大降低 c c t 曲线明显右移 位置也剧烈下降 以至在一般的c c t 曲线上不出现贝氏体转变区 因此在a i 一m s 范围内 只有珠光体转变 而观察不到贝氏体转变 c r 对c c t 曲线的作用与其形成的c r 的碳化物类型有关 当c r 由零增加到2 6 时 形成c r 的渗碳体 容易固溶 能够延迟奥氏体中的珠光体转变 进一步提高到l l 时 则 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 形成难以固溶的特殊c r 碳化物 将加速珠光体转变的进行 当再进一步提高c r 含量时 形成复杂的c r 碳化物 较易固溶 因此又改变珠光体的转变速度 c r 对高碳c r 钢的影响与对中碳c r 钢相类似 c r 含量为2 7 9 时 贝氏体转变曲线显 著右移 并在中温转变区的上部温度范围内发生特殊过剩铁素体的析出 4 镍的影响 n i 降低钢中共析珠光体的含碳量 并剧烈降低临界转变温度 其作用次于n 而胜于 m n 减小转变时的过冷度 使转变所需的孕育期加长 n i 对c c t 曲线的影响为 随n i 含量的增加 转变孕育期显著延长 转变速度减小 发生最大相变速度所对应的温度降低 在中碳钢中 n i 含量在2 2 5 以上时 则使整个曲线向右并向下略移 同时 过冷奥氏 体的最小稳定性温度的位置下降 n i 对亚共析刚 共析钢及过共析钢c c t 曲线的影响为 当n i 含量高于5 以上 在 高温转时会同时形成珠光体和贝氏体组织 但随着钢中碳含量的增加 m s 点降低 贝氏 体转变区向低温延伸 因此 在低温分解时只形成贝氏体组织 当温度高于分解温度最大 值时 珠光体反应占优势 而低于4 4 0 时则只有贝氏体反应 这些钢的转变开始线在整 个温度范围内是连续的 而转变终了线在贝氏体转变的最高温度有一间断 当n i 含量为 7 5 1 0 时由于合金元素的作用 临界转变温度降低 由6 5 0 降至5 5 0 加之珠光 体转变的孕育期又很长 因此c c t 图中几乎不发生珠光体转变 5 钼的影响 m o 是抑制珠光体转变最强烈的元素 能够显著增大过冷奥氏体在珠光体转变区的稳 定性 延长相变孕育期和减慢转变速度 但对先共析铁素体或渗碳体的析出则作用不大 对奥氏体分解为贝氏体的转变速度也影响甚小 因此 珠光体转变部分显著右移 贝氏体 转变部分却影响很小 与碳素钢接近 甚至c c t 曲线上只出现贝氏体转变区和马氏体转变 区 n i 含量高于3 5 的中碳钢中加入一定量的w m o 后便出现这种情况 m o 含量在o 3 以上时 钢的c c t 曲线便出现两个鼻子 即有两个最大转变速度值 而在5 0 0 6 0 0 范 围内出现海湾 即奥氏体稳定区 m o 对c c t 曲线的影响 表现为m o 对共析钢由奥氏体分解析出先共析产物 铁素体或 碳化物 的速度有抑制作用 6 钨的影响 不同w 含量对中碳及高碳钢c c t 曲线的影响规律是 w 含量不高 例如在1 o 时 对曲线的影响不太大 形状与碳素钢相似 只是稍向右移 w 在1 5 2 0 时 曲线向右 移 有分成两个转变区的趋势 奥氏体最小稳定温度均降至5 0 0 当w 含量增至2 4 以上时 曲线明显右移 而且改变形状 并在4 0 0 以上出现两个 鼻子 分成珠光体转 变和贝氏体转变两个温度区域 并随含w 量的增高而明显的分开 w 对c c t 曲线的影响 与m o 相似 按重量百分数计时 其影响转变只为m o 的一半 7 钒的影响 v 是强碳化物形成元素 在碳的影响下 v 只有微溶于铁素体中 当加热温度高得足 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 以使v 碳化物完全分解而溶入奥氏体时 由于它降低碳的扩散速度自己扩散也需要时间 因而使相变进行缓慢 增加了过冷奥氏体的稳定性 使c c t 曲线右移 并使珠光体转变区 与贝氏体转变区分开 在一定的冷速下能抑制珠光体转变 但对中温转变的开始温度没有 影响 8 钛的影响 t i 是强碳化物形成元素 有促进奥氏体向珠光体转变的作用 当微量的t i 固溶于奥氏 体中时 则有延缓奥氏体转变的作用 t i 的作用与v 近似 如果与m n 共同作用 也可以 提高奥氏体的稳定性 9 铝的作用 舢可降低奥氏体的稳定性 促进珠光体的转变 但同时有减小奥氏体转变时的过冷度 a l 不改变c c t 曲线的形状 对过冷奥氏体转变为珠光体的速度影响很小 当砧含量达 o 5 尔后增加到2 3 时 则将略增加奥氏体的稳定性而又延缓其转变 然而 当砧含 量进一步增加时 又会加速珠光体转变 1 0 钴的影响 c o 与一般的合金元素不同 它显著地加快奥氏体在珠光体转变区温度范围内的分解速 度 减小过冷奥氏体的稳定性 使珠光体鼻子向左移动 但不改变c c t 曲线的形状 c o 对贝氏体转变区也有相当的影响 随着c o 含量的增加 c c t 曲线向左移动 1 1 铜的影响 c u 不改变奥氏体冷却的c c t 曲线形状 随着c u 含量的增加 奥氏体的稳定性增强 c u 使珠光体和贝氏体转变的孕育期延长 以至整个曲线略向右移 1 2 硼的影响 钢中加入微量的b o 0 0 1 0 0 0 5 即可降低奥氏体的转变速度 b 的含量再高时 却又增加奥氏体的转变速度 在亚共析钢中 b 还同时大大降低奥氏体连续冷却时铁素体 的形成速度 延长先共析铁素体的析出时间 b 虽然影响珠光体转变开始时间 但不影响 珠光体转变过程 因此 b 很少改变c c t 曲线的终了线的位置 b 在低碳低合金钢中的作 用较为显著 并随c 含量的增加而效果减小 2 9 加热温度和时间对m s 点 贝氏体及珠光体转变的影响 2 9 1 加热温度和时间对m s 点的影响 加热温度和时间对m s 点的影响较为复杂 提高加热温度和延长时间有利于碳和合金 元素进一步溶入奥氏体中 使m s 点下降 但是 随加热温度的升高又会引起奥氏体晶粒 长大 并使其中的晶体缺陷减少 导致马氏体形成时的切变阻力下降 从而使m s 点升高 如果排除了化学成分的变化 即在全奥氏体化条件下 加热温度的提高和时间的延长使 m s 点有所提高 约为几度到几十度范围 但奥氏体晶粒长大在1 0 0 0 以上才比较明显 这显然和m s 点上升的趋势并不完全一致 说明晶粒大小可能不是影响m s 点的主要因素 在奥氏体成分一定的情况下 晶粒细化则奥氏体的强度提高 因而马氏体转变切变阻 力增大 使m s 点下降 但当晶粒细化并不明显影响切变阻力时 则对m s 点也就没有什 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 么影响 2 9 2 加热温度和时间对贝氏体转变的影响 提高奥氏体化温度 一方面使碳化物溶解趋于完全 使奥氏体内成份均匀性增大 同 时又会使奥氏体晶粒长大 进而使贝氏体转变速度减慢 通过实验可知 随奥氏体化温度升高 形成一定数量的贝氏体所需时间先延长 达到 峰值后又逐渐缩短 同样 奥氏体化时间对贝氏体转变速度的影响 也有相似的规律 随 着奥氏体化时间的延长 相当于提高温度 溶于奥氏体中的碳化物数量增加 奥氏体的 均匀性提高 缺陷减少 形成一定数量贝氏体的时间延长 但是 奥氏体化时间过长将明 显减少缺陷 使切变阻力明显下降 因而又有加速贝氏体转变的作用 于是出现了极大值 的特性曲线 而且 奥氏体化温度越高 出现极大值的时间越短 2 9 3 加热温度和时间对珠光体转变的影响 提高奥氏体化温度或延长保温时间 可使渗碳体进一步溶解和奥氏体更加均匀化 同 时也会使奥氏体晶粒长大 因而减小了珠光体相变的成核率和长大速度 从而推迟了珠光 体转变 应该指出 这种影响的程度与珠光体形成的温度还有联系 实验证明 奥氏体化温度 和时间对珠光体转变动力学的影响 在转变温度较高时 接近a 点 比在转变温度较低时 接近转变动力学曲线 鼻子尖 处 更为显著 2 1 0 微合金钢连续冷却转变的特征 低碳微合金钢的过冷奥氏体转变是一个极为复杂的过程 在不同的冷却条件下 室温 下可能包含的组织有多边形铁素体 等轴铁素体 珠光体 魏氏铁素体 块状铁素体 贝 氏体 马氏体及残余奥氏体等 2 4 2 7 q 2 0 世纪8 0 年代以来 不断有人报道了形变诱导铁素体相变 在a d 温度以上适当温 度范围内进行大变形 使相变温度提高 诱发丫 a 相变 进而获得细晶组织 变形能促进 微合金钢奥氏体在连续冷却过程中的状态发生改变 抑制奥氏体发生再结晶或形成扁平状 奥氏体 同时在晶内引入大量变形带等缺陷 为丫 c l 相变提供更多的形核位置 形变诱导 铁素体相变是一个持续形核的过程 在转变的整个过程中晶核数目不断增加 即转变量的 增加主要是靠持续不断地形核完成 可以获得较高的形核率 形变诱导铁素体相变中晶核 生长和晶粒粗化过程因变形时间短而受到抑制 又由于该过程中形变与相变几乎同步进 行 因而奥氏体内位错密度保持较高的水平 有利于获得较高的铁素体形核率 进而获得 超细晶组织 而变形奥氏体的连续冷却相变则是一个晶核长大主导的过程 即转变量的增 加主要是靠晶核的生长来完成的 连续冷却相变中 形变和相变是分离的 奥氏体内位错 回复程度较高 对于碳素钢甚至可能发生再结晶 从而导致奥氏体位错密度的迅速减小 因而也降低了铁素体的形核率 而且连续冷却相变是在一个相对变形诱导铁素体相变较长 的时间范围内进行的 晶核的生长和晶粒的粗化都相当充分 因而很难获得超细晶组织 在丫 a 相变发生的温度范围内 相变温度越低 微合金钢相变后所得的铁素体晶粒越 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 细小 最常用的方法就是提高冷却速度 冷却速度越大 实际相变的过冷度就越大 丫一a 相变实际相变温度也就越低 铁素体晶粒也就越细 微合金钢相变之后得到的组织中最重要 最常见的组织是铁素体 珠光体 通常的热 轧态或正火态微合金钢使用态的组织就是铁素体 珠光体 不需要采用任何特殊的生产工 艺技术就很容易得到这种组织 因而影响微合金钢力学性能的主要因素是铁素体晶粒度 铁素体基体中的位错密度和铁素体基体中沉淀析出的第二相质点 目前 对微合金元素的强韧化原理 尤其是在控制轧制和控制冷却中获得细晶组织 的机理进行了深入研究 已经取得了不少研究成果 并已应用于工业实践之中 制定合理 的控轧后的控冷工艺可以获得钢所要求的性能 田村今男等人对高强度低合金钢板采用控 制轧制后进行加速冷却的热机械处理方法进行生产 降低钢中的碳和合金元素含量的同时 也获得了良好的强韧性和焊接性制2 8 1 f u j i w 盯a 等人研究形变奥氏体连续冷却转变时表明 形变奥氏体将加速随后相变过程的进行 提高扩散型相变的相变温度 使连续冷却转变曲 线向左上方移动 2 9 1 0 k 锄o t o 等人关于低碳m n 舶 t i b 钢的研究表明 采用未再结晶控制 轧制工艺 终轧温度9 0 0 以5 1 5 s 连续冷却 获得了针状铁素体组织 钢的抗拉强 度达到7 8 8 9 8 0m p a 同时具有良好的韧性 3 0 1 2 1 1 c c t 曲线的测定及应用 研究变形奥氏体相变规律的基本方法是测定钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线 c c t 曲线 这种曲线不但可以系统地表达出热轧变形工艺参数 轧后冷却速度对相变开始温 度 相变进行速度和组织的影响情况 而且是选用合适的控轧钢种成分 衡量与之相匹配 的热轧变形工艺是否恰当及控制冷却制度是否合理的重要依据 3 h3 2 1 钢的冷却转变曲线分为等温转变曲线 1 陌曲线 和连续冷却转变曲线 等温转变曲 线反映了过冷奥氏体等温转变的规律 图2 4 为典型的共析钢奥氏体等温转变曲线 实际热处理时大多工艺是在连续冷却的情况下进行的 在连续冷却过程中 过冷奥氏 体同样能进行等温转变时所发生的各种转变 不会出现等温转变时所没有的新的转变 但 是 连续冷却转变不同于等温转变 由于连续冷却过程要先后通过各个转变温度区 往往 重叠出现几种转变 而且 冷却速度不同 可能发生的转变相对量也不同 因而得到的组 织与性能也不同 所以 虽然可以利用等温转变曲线来分析过冷奥氏体的连续转变 但只 能做出粗略的估计 有时还可能导致错误的结果 于是人们认识到测定连续冷却转变曲线 的重要性和实际意义 连续冷却转变曲线测定通常综合应用了各种方法 如金相法 热膨胀法 热分析法 强度法等 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 薹 i li 蔓良体 l 一 一 j l 弱 f 二i v 露 腓 一上 l 太i 哪 l 弋 量i 上隧琵体 l c 7 i 节缀瑟体 彳叫 锄4 肿 一 一均fj 体 s 警 舯篁 秘拳 5 翳 仉誊l l o1 0 l 妒i 口 i 妒 时僻 盼 图2 4 共析钢奥氏体等温转变图 本实验采用热膨胀法测定变形奥氏体相变温度 并辅助以金相分析法来精确分析临界 冷速下的转变点 即利用热加工模拟实验机对试样进行热变形后立即采取控温在惰性气体 中以不同的冷却速度进行恒速冷却 测量出试样的温度一膨胀量变化曲线 根据这种曲 线上的特征点来确定奥氏体的各种相变温度 f s p s b s m s 2 1 1 1 相变点的测定 测定钢在热轧后冷却过程中奥氏体相变温度的方法有许多 大致可分为有两类 一类 是利用钢在相变过程中发生的物理量变化来测定相变点 如测定相变时钢的体积膨胀 或 收缩 电阻的变化 因相变放热而造成钢的冷速的变化等 另一类是利用在奥氏体区和 在 y 占 两相区轧制时钢中产生的织构特点和力学性能的变化来测定相变点 如测定轧 制织构的变化 测定钢的强度的变化等 其中热膨胀法是比较常用的一种 下面对各种方法做个简要的介绍 1 热膨胀法 热膨胀法是目前最常用的一种测定变形奥氏体相变的温度的方法 它是利用热加工模 拟试验机 如热压缩变形模拟试验机 动态热力学模拟试验机 热变形再现模拟试验机 对试样进行变形后立即采用控温或惰性气体以不同的冷却速度进行恒速冷却 测量出温度 一膨胀量变化曲线 根据这种曲线上的特征点来确定奥氏体的各种相变温度 如只 只 p 曰 和m 的一种方法 热膨胀法的主要原理是 当钢发生固态相变时 由于不同组织的比容差异而发生体积 的不连续变化 这样膨胀曲线在相变发生温度处形成拐点 而钢中的珠光体 贝氏体 马 氏体等转变发生在不同的温度范围 所以膨胀曲线上的拐点也会出现在不同的温度范围 据此来判断该拐点发生什么相变 根据拐点 就可以比较容易地确定各种相变点 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 一般钢中各组织的比容关系是 奥氏体 铁素体 珠光体 贝氏体 马氏体 对于亚共析 钢 冷却时典型的膨胀曲线如图2 5 所示 图中a b 段相当于先共析铁素体析出 b c 段为 珠光体转变 因为珠光体的比容大于铁素体 所以b c 段的斜率大于a b 段 b 点处有折点 此折点对应于珠光体转变开始温度 3 3 膨 胀 量 p 温度 图2 5 亚共析刚冷却时的膨胀曲线示意图 当既有铁素体 珠光体转变 又有中温贝氏体转变时 通常的膨胀曲线如图2 6 所示 图中a b 段对应于铁素体 珠光体转变 c d 段对应于贝氏体转变 这时曲线中间部分的b c 段的斜率就有意义了 由于奥氏体的比容小 所以上部直线段a l a 的斜率应最大 如果在b 点铁素体和珠光体转变终止 那么直线段b c 的斜率应由铁素体 珠光体和未转变完的奥氏 体决定 它应比上部a l a 的斜率小而比下部粥的斜率大 这是因为b c 段为未转变完的奥 氏体己转变为贝氏体 掘的斜率由铁素体 珠光体和贝氏体来决定 如果当三段直线部 分的斜率表现为a a b c b c 珠光体 上 下贝氏体 马氏体 而比容则恰好相反 由大到小的顺序氏马氏体 铁素体 珠光体 奥 氏体 碳化物 但v 和c r 的碳化物的比容大于奥氏体 所以 在钢的组织中 凡是发生铁素体溶解 碳化物析出 珠光体转变为奥氏体以及 马氏体转变为q 相的过程都将伴随着体积的收缩 凡发生铁素体析出 奥氏体分解为珠光 体或马氏体的过程都将伴随着体积的膨胀 在t a 相变全过程所伴随的总的体积效应是 铁素体所占比例越大 体积效应也越大 碳化物所占比例大 则体积效应较小 所以 碳化物愈高 总的体积效应也较小 凡抑制碳化物自由析出的因素 均使总的体积效应增 大 因此 钢的热胀冷缩曲线 因钢种的不同而有较大变化 实际测量膨胀曲线时 由于钢的奥氏体在连续冷却过程中 不论在高 中 低温发生 相变时 都将伴随着体积效应 所以在曲线上出现拐折 以不同的冷速进行冷却 在膨胀 仪上可相应得到形状不同的冷却膨胀曲线 根据曲线上出现的拐折 即可准确地确定某种 武汉科技大学硕士学位论文第2 1 页 组织转变的开始温度和终了温度 将这些温度描绘在 温度一时间 对数 一为坐标的冷却 曲线上 然后将相应的开始点和终了点分别连接起来 便可得到一般的连续冷却曲线 2 金相法简介 将试验材料制成厚度1 一 2 r n m 的一组薄片试样 同时放在炉中以相同的加热条件奥氏 体化后 按照预定的规范以给定的不同冷速连续地冷却到指定的温度 t 1 t 2 t 3 时 随即迅速取出试样 投入水中或油中急冷以固定组织 并记录自该温度下取出的时间 随后通过观察各试样奥氏体相变产物 铁素体 珠光体 贝氏体 马氏体 的出现及相变 百分数 便能准确判定出某一个冷却速度下的转变开始温度和转变终了温度 从而给出连 续冷却转变曲线 也可测定中间转变的百分数 可以通过调节冷却条件来保持匀速冷却 急冷的目的是使尚未分解的奥氏体转变为马氏体而被保留下来 转变开始点和转变终了点的坐标一般以奥氏体的转变量达1 和9 9 为标准 但为了 减少试验点的分散度 有时也以2 3 和9 7 9 8 的转变量为标准 连续冷却转变时 过冷奥氏体的分解是在一定的温度范围内进行的 组织是连续转变 的混合组织 把这些沿着冷却曲线所观察到的奥氏体转变结果 集中反映在温度一时间 对 数 坐标内 便得到所求的c c t 曲线 金相法的优点是直接利用金相观察 能够测定和辨别转变产物的组织特征 所以数据 比较准确 可靠 这是其它物理方法所不具备的一大优点 州 缺点是需要试样数量多 金 相工作量大 而且根据冷却过程中的转变产物来正确判定转变开始点和完了点 必须能认 清混合物组织的特征 当冷速很大时是比较困难的 尤其是淬透性较差的碳钢和低合金钢 更加困难 但是在通常的轧后控制冷却工艺参数范围内还是能够判别的 3 热分析法简介 热分析法是利用钢在冷却过程中的同素异构转变和析出过程相时所发生的放热效应 改变了温度曲线的均匀进程而引起降温速度的突然改变 因而可用来确定转变的开始 最简单的设备装置如图2 7 所示 测试过程需要加热炉 灵敏的简流计和秒表 将热 电偶的接点放在试样的孔内 然后放在炉中加热 试样加热到奥氏体化状态后 以一定的 冷却速度进行冷却 在冷却过程中 定时在记录表中记下试样的变化 然后绘制出 温 度 时间 曲线 之后 根据测定出的热分析曲线的拐点 来判定冷却过程中发生的转变 这种方法的灵敏度较差 不能精确地确定转变开始和转变终了点对应的时刻 而只是记录 了转变进行的温度区域 所以需要其它方法 如膨胀法 磁性法 的辅助配合 才能提高其 准确性 当试样的冷却速度相当缓慢时 该种方法可得到最佳效果 为了在这种方法的基 础上进一步提高实验的精确度 也可绘制成 冷却速度一时间 曲线 用降温速度的突然 改变来确定转变的起始点 第2 2 页武汉科技大学硕士学位论文 试 样 电 炉 图2 7 热分析法示意图 4 磁性法 奥氏体在任何温度下均为顺磁性的 而它的转变产物如铁素体 在居里点a 以下 珠光体 贝氏体 马氏体都是铁磁性的 因此过冷奥氏体在a 温度以下等温或降温时 将 发生由顺磁性向铁磁性的变化 基于这种原理来测量钢的过冷奥氏体等温转变曲线的方法 即为磁性法 利用磁性法来测量钢的等温转变曲线的仪器主要是热磁仪 热磁仪具有强大的磁场 设其磁场强度为h 将小棒形试样顺置于磁场中 使试样与 磁场成一定的夹角 由于奥氏体是顺磁性的 所以不受磁场作用 当试样冷却到居里点 a z 以下某个温度时 试样中的奥氏体开始转变而出现铁磁相 此时试样就受到一力矩m 的 作用而开始偏转 此力矩的大小与试样的磁化强度j 成正比 随着奥氏体转变的进行 试 样中的铁磁相逐渐增多 因而试样所受的力矩也愈来愈大 设试样的体积为v 则此力矩 为 m j v s i n b公式 2 2 试样在力矩m 的作用下发生偏转 从而使试样夹头的弹簧装置发生变形 使得弹簧片 中产生一个反向力矩m 来平衡试样所受到的力矩m m 7 与试样的偏转角度筇成正比 当m 与m 相等时 试样不再继续偏转 由此可以得到 m c a f l公式 2 3 又有m m 即j v s i n f l c a p j 堡堂公式 2 4 v h s i n f l 式中 c 为弹簧的弹性系数 公式中 v h 均已知 弹簧确定则c 就确定 所以只要测出试样的偏转角筇 便可求 武汉科技大学硕士学位论文第2 3 页 出磁化强度j 从而就测出了力矩m 因此可以归