低碳贝氏体钢不同冷却速度下的组织结构研究30.doc

低碳贝氏体钢不同冷却速度下的组织结构研究关云 李平和 刘继雄 陈庆丰 吴立新（武汉钢铁(集团)公司研究院,武汉 430080）摘 要 对低碳贝氏体钢进行热模拟实验，在非再结晶区变形后以不同的冷却速度冷却，研究了不同冷却速度下低碳贝氏体钢的组织结构特征和第二相析出规律。结果表明，冷却速度对组织亚结构的影响较大。以2050/S的高速冷却后，该钢的组织以板条贝氏体为主，小角度晶界较多。随着冷却速度的降低，组织中板条贝氏体减少，粒状贝氏体增加，大角度晶界比例增加，但板条间取向差极小。当冷速降低到5/s时，粒状贝氏体的体积分数显著增多，并形成有明显取向差的胞状亚晶。以3/S冷却后，组织以粒状贝氏体为主，出现先共析铁素体晶核，开始发生铁素体相变；以低于2/S的冷速冷却后，形成由块状铁素体、多边形铁素体和粒状贝氏体组成的混合组织，大角度晶界比例较高。实验钢中的析出相主要有矩形 (Ti,Nb)(N,C)及球形Nb(N,C)或NbC两种，在冷却过程中，以NbC相析出为主，随着冷却速度降低，析出相尺寸略有增大。关键词 冷却速度 贝氏体 组织结构 析出相 低碳贝氏体钢近年来，低碳（超低碳）贝氏体钢因具有优良的综合性能得到广泛研究，工艺上发展了驰豫析出控制相变技术（RPC）1-4。已有的研究结果表明，驰豫和快冷是得到细小尺寸的板条贝氏体组织的重要因素，冷速在大于10/S得到以板条贝氏体为主的组织，较小冷速则得到粒状贝氏体为主的组织5。本文在已有研究的基础上，利用热模拟实验，对武钢工业性生产的800MPa级低碳贝氏体钢不同冷却速度下的组织结构和第二相析出规律进行分析研究，为合理、精确地控制组织类型及细化组织尺寸提供实验依据。1 实验过程试验用钢的成分见表1,将试样加工成8mm12mm圆柱，在THERMECHMASTOR-Z 热模拟实验机上进行热压缩实验。实验工艺见图1：将试样加热到1000保温300秒，以2/S降温到950变形25%，再以1.5/S降温到900变形30%，变形后以5/S驰豫降温到740，分别以50、20、15、10、8、5、3、2、1.5、1、0.5、0.2/S等12种不同的冷却速度冷却到200以下。表1 试验钢的化学成分(wt%)CMnSiCrNiMoCuTiNbPS0.0421.620.340.0170.340.230.320.0130.0660.0120.00750,20,15,10,8,5,3,2,1.5,1,0.5,0.2/s740900,变形30%1.5/s950,变形25%2/s1000*300sT/T/s图1 热模拟实验工艺示意图在变形试样的直径1/4处沿轴向剖开，分别制备成金相试样、萃取碳复型和金属薄膜电镜试样，用光学显微镜观察金相组织，用JEM2000FX型透射电镜观察组织亚结构和第二相析出特征。选取冷却速度为20/S、5/S、0.5/S的三个试样，在Quant400扫描电镜下采用电子背散射（EBSD）技术对晶界及亚晶界特征进行测量分析，观察视场均为平行压缩轴方向的金相抛光面的直径1/4处。2 实验结果2.1 组织亚结构观察金相组织观察结果表明，以2050/s快速冷却后得到的组织为板条贝氏体，以15/s冷却后，组织中以板条贝氏体为主,但观察到少量粒状贝氏体。 随着冷却速度降低，板条贝氏体减少，粒状贝氏体相应增加。当冷却速度为5/s时，组织以粒状贝氏体为主，且M/A岛尺寸增大；以3/S冷却后组织中出现块状铁素体区域，且在块状铁素体晶界观察到极少量多边形铁素体小晶粒。当冷速低于3/S时，得到块状铁素体、粒状贝氏体及多边形铁素体组成的混合组织；随着冷速的继续降低，组织中块状铁素体和多边形铁素体数量增多，M/A岛尺寸粗大（图2）。在TEM下对金属薄膜样品的组织亚结构进行观察，结果表明：以20-50/s快冷后，贝氏体板条位错密度高，板条之间存在尺寸细小的M/A岛，随着冷却速度降低，贝氏体板条宽化，位错密度降低，粒状贝氏体数量增多，M/A岛尺寸增大。对以15/s冷却后的多个贝氏体板条进行选区电子衍射分析，其衍射斑点只有微小分裂，表明贝氏体间存在极小的取向差（图3）。对5/S冷却后形成的位错胞状亚晶组织进行选区电子衍射分析，这些细小亚晶区的衍射花样为多晶衍射环，可见这些胞状亚晶间取向差明显（图4），表明组织亚结构间的取向差随着冷却速度的降低而增大。(c)(d)(b)(a)(e)(f)20m图2 不同冷却速度下的金相组织(a) 20/S ；(b) 15/S； (c) 8/S； (d) 5/S； (e) 3/S ；(f) 1/S(b)(c) 图3 15/S下的组织亚结构衍衬像 图4 5/S下的组织亚结构衍衬像 和电子衍射 113 和电子衍射图当冷却速度降低到3/S时，试样中出现块状铁素体区域，位错密度较低，局部晶界处观察到结构完整的铁素体小晶粒。经衍射分析，多边形铁素体小晶粒与周边的块状铁素体晶粒为部分共格关系，如图5所示，小晶粒A与其下方晶粒C具有（-1，0，1）共格面，界面较模糊，与上方晶粒B无共格面，界面明锐清晰。随着冷速的继续降低，块状铁素体和多边形铁素体增多，由于碳扩散相对充分，钢中的M/A岛尺寸增大。对1/S下的块状铁素体区域进行选区电子衍射分析，相邻铁素体晶粒对应两套独立的电子衍射斑点（图6）。ABCABC图5 3/S下的组织亚结构衍衬像和电子衍射图 图5 3/S 下的组织亚结构衍衬像和电子衍射图 A晶粒 359；B晶粒111；C晶粒113图6 1/S 下的组织亚结构衍衬像和电子衍射 012和113 2.2 晶粒取向差的EBSD分析晶粒取向差测量结果如图7。试样以20/S冷却后，小于15的小角度晶界所占比例约61.6%。随着冷却速度降低，小角度晶界的数量和比例依次明显降低，大于15的大角度晶界比例相应增加。以5/S冷却后小角度晶界比例约49.5%，以0.5/S慢冷后的小角度晶界比例约41.7%。(a)(b)(c)图7 不同冷却速度下的取向差分布直方图 (a)20/S；(b)5/S；(c)0.5/S2.3 第二相析出分析在冷却速度为5020/S时，析出相主要为2070nm的矩形(Ti,Nb)(N,C)和2030nm的球形Nb(N,C)或NbC相，Nb(N,C)或NbC常附着在矩形(Ti,Nb)(N,C)相上形核生长形成复合析出相。当冷却速度为15/S时，明显可见10nm以下细小NbC析出，该类析出为冷却过程中的析出。随着冷却速度的下降，细小析出相逐渐增多，尺寸也略有增大。在低于5/S冷却的试样中，细小析出相尺寸达到20nm（图8）。经电子衍射分析，矩形的(Ti,Nb)(N,C)析出与附着的NbC存在共格关系（图9）。(a)(b)(c)(d)图8 不同冷却速度下的第二相析出特征 (a)和(b)15/S；(c)和(d)1/S(a)(b)(c)图9 复合析出相的形貌(a)、电子衍射图(b)及指数标注(c)3 讨论实验用低碳贝氏体钢的奥氏体再结晶温度在950以上，经非再结晶区变形后驰豫，变形奥氏体内发生回复，形成胞状亚结构组织，同时形变诱导析出第二相，增加了相变的有效形核核心，使中温转变贝氏体组织呈多方向形核生长有利于组织细化1-3。在随后的冷却过程中，过冷的奥氏体将转变成各种形态的-Fe并伴有第二相的进一步析出，因此冷却速度成为影响最终相变组织结构的重要因素。当冷却速度较快时(2050/s)，相变温度较低，组织以高位错密度的板条贝氏体为主，板条间的取向差极小，小角度晶界比例较高，组织均匀。较快冷却条件下，析出物主要为两类，一类为变形前析出的(Ti,Nb)(N,C)，另一类为变形、驰豫及冷却过程中析出的NbC。变形前的析出物(Ti,Nb)(N,C)尺寸较大，约2070nm。驰豫及冷却过程中析出的NbC 与(Ti,Nb)(N,C)有相同的晶体结构，相近的点阵常数，故高温析出物(Ti,Nb)(N,C)容易成为后期析出相NbC或Nb(N,C)的形核核心，形成复合析出物。随着冷却速度降低，组织中贝氏体板条宽化，位错密度降低，逐渐向扩散为主的粒状贝氏体转变，不规则尺寸M/A岛增大，冷却过程中析出的NbC相弥散细小，仅有10nm左右，数量较多。当冷却速度降低到5/S时，相变过程中碳的扩散较充分，组织中粒状贝氏体的体积分数超过了板条贝氏体，位错重新排列形成有明显取向差的胞状亚晶，使小角度晶界减少，大角度晶界增多。同时NbC析出相聚集长大，尺寸由10nm增大到20nm。在以3/S慢冷时，仍以贝氏体相变为主，但出现块状铁素体组织区域，并有先共析铁素体晶核形成，说明该冷却速度下，开始发生先共析铁素体转变。随着冷却速度进一步降低，碳扩散相对充分，粒状贝氏体中的M/A岛更加粗大，块状铁素体和多边形铁素体增多，大角度晶界比例显著增大。4 结论(1) 冷却速度对低碳贝氏体钢的组织亚结构具有重要影响。快速冷却时，低碳贝氏体钢组织以板条贝氏体为主，组织细小均匀，小角度晶界比例高于大角度晶界。随着冷却速度降低，组织中板条贝氏体向粒状贝氏体转变，位错重新分布形成胞状亚晶。冷却速度降到3/S时，粒状贝氏体中的M/A岛粗化，出现块状铁素体组织区域，并有先共析铁素体晶核形成，开始发生铁素体相变，大角度晶界比例显著增加。以低于2/S的冷速冷却后，形成由块状铁素体、多边形铁素体和粒状贝氏体组成的混合组织，大角度晶界比例进一步增加。(2) 较快冷却条件下，析出物主要为两类，一类为变形前析出的(Ti,Nb)(N,C)，另一类为变形、驰豫及冷却过程中析出的NbC。变形前的析出物(Ti,Nb)(N,C)尺寸较大，约2070nm，通常成为NbC的形核核心，形成复合析出物。随着冷却速度降低，冷却过程中析出的NbC相数量增多，尺寸略有增大。参考文献1 翁宇庆.超细晶钢-钢组织细化理论与控制技术M.北京：冶金工业出版社，2003,3-42