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文章源于科技论文发表网: QQ:1003 59168 合金成分钢性能研究论文:合金成分对贝氏体H型钢的组织和性能的影响摘要:以开发与研究贝氏体H型钢为目标,通过热轧试验,研究了3个钢种的不同合金成分对贝氏体H型钢组织性能的影响,研究结果表明:超低碳以及适量B和Nb是保证贝氏体H型钢高强度和高韧性的关键。通过研究找到适应贝氏体H型钢要求的低成本的合金成分。关键词:粒状贝氏体; H型钢;成分;组织;性能H型钢由于其具有断面经济、力学性能优越、重量轻、施工快捷、抗震性能好、节能降耗等优点,已广泛应用于高层建筑、机械制造、海洋工程、桥梁闸坝、地铁工程等。随着H型钢逐步被国内市场所接受,产销量不断扩大,用户对产品性能的要求也越来越高,要求钢厂提供高强度、高韧性的H型钢。铁素体-珠光体组织,虽然其具有满意的韧性,但因强度一般不超过350MPa而应用受到限制。贝氏体组织在具有屈服强度450900MPa的同时,还具有满意的韧性和优良的焊接性能1。因此,研究开发贝氏体组织H型钢具有重要意义。1合金成分和试验方法试验钢合金成分分别见表13。 试验用钢坯由50kg真空炉冶炼,铸造后锻成50mm60mm150mm的钢坯,然后进行轧制试验。试验中加热温度1250(炉内温度),保温时间为30min。轧制规程采用两阶段轧制,第一阶段即高温区(再结晶区)是在出炉后立即进行轧制,第二阶段即低温区(未再结晶区)开轧温度取为950。终轧温度分别选取700900。然后模拟现场冷却速度空冷。对轧后钢材做金相检验和性能测试。2试验结果与分析本课题的贝氏体H型钢的成分设计基本思路是通过C、Mn、B、Nb、Mo、Cu等合金元素的相互作用,经过控制轧制及空气自然冷却下得到贝氏体组织及所需要的性能;同时考虑合金成本和炼钢成本。2.1试验钢A合金成分对材料组织和性能的影响为了不增加炼钢成本,试验钢A合金设计没有采用超低碳,具体成分见表1。图1(a)是试验钢A01在加热温度1250、终轧温度820、950以下温度变形量50%左右条件下组织,从照片上看为粒状贝氏体组织,没有出现珠光体组织。从组织形态看,无论贝氏体铁素体还是M/A岛的尺寸都比较细小且分布尚均匀。但是M/A岛的数量较多。由于合金化元素添加的适当,B、Nb、Mn、Mo的共同作用,显著推迟在奥氏体晶粒形核的多边形铁素体的转变。即使碳含量增加,笔者在空冷条件下,即在一个较宽的冷却速度范围内得到的全部是粒状贝氏体组织,从而避免珠光体组织的出现。由于笔者采用的轧后空冷工艺冷却速度较慢,碳有足够的时间由奥氏体/铁素体相变前沿界面向奥氏体内以较快速度扩散,从而避免了碳化物析出,结果导致残余奥氏体中碳含量升高2。碳含量的增加会更加增多高碳残余奥氏体数量,同时也会使得残余奥氏体进一步稳定化。由于笔者在合金元素中又添加Mo,笔者知道还是由于原子尺寸的因素,Mo原子象B和Nb一样偏聚在奥氏体晶界上,这样对C曲线珠光体部分有强烈推迟作用;另一方面,Mo有相当低的扩散性,阻碍珠光体的长大,同时对碳在奥氏体扩散能力有较强的降低作用。Mo影响着残余奥氏体的转变,在高碳残余奥氏体中碳含量也不是均匀分布,沿着铁素体/残余奥氏体边界碳含量较高,残余奥氏体中心部位碳含量较低。Mo的加入会对碳的扩散有较强的降低作用1。这样会加剧这种碳含量的不均匀分布。沿着边界的残余奥氏体会进一步稳定化,中心部位相对贫碳的残余奥氏体在随后的冷却过程中转化成孪晶马氏体组织。因此,由于Mo的加入,使得粒状贝氏体M/A岛中马氏体含量增加,相对残余奥氏体含量减少。如果笔者在碳含量较高的条件下逐渐减少Mo的含量(其他元素含量不变,具体成分见表1)直至完全取消Mo,是否会出现珠光体组织呢。图1(b)和(c)是A02和A03试验钢在加热温度1250、终轧温度820、950以下温度变形量50%左右条件下组织。从照片上看出,随着Mo含量进一步降低直至取消,多边铁素体和珠光体在增加,晶粒也在增大。因此,此类钢在碳含量较高的情况下,B、Nb、Mn共同作用不能足以推迟在奥氏体晶粒形核的多边形铁素体的转变,Mo在形成粒状贝氏体组织中起到了很关键的作用。组织决定性能,从表4中可以看出A01钢有很高的强度指标。由于该钢种碳含量较高,与其他试验钢比M/A岛数量较多;并且M/A岛成分也不一样,M/A岛中孪晶马氏体含量较高。M/A岛比铁素体具有更高的强度。小岛总量及M/A岛中孪晶马氏体含量是影响粒状贝氏体强度的主要因素3。粒状贝氏体的韧性主要取决于M/A岛数量、大小和成分。从韧性指标来看,A01试验钢韧性指标很低。由于碳含量的增多使得M/A岛数量增加,这样一方面导致贝氏体铁素体变形时的滑移自由程减少,造成塑性降低;另一方面,由于贝氏体铁素体与M/A岛在塑变性能上的明显反差(贝氏体铁素体有很高塑性,而M/A岛相对塑性较差),如果M/A岛中马氏体的体积分数的增加,更加加剧出现塑变的不均匀1,在两者接触面上产生应力集中,造成裂纹的过早发生,失去塑性的发挥条件。2.2试验钢B合金成分对材料组织和性能的影响图2是试验钢B在加热温度1250、终轧温度850、950以下温度变形量50%左右条件下金相组织照片,可以看出,B试验钢为粒状贝氏体和珠光体的混合组织。与试验钢A一样,为了不增加炼钢成本该钢种合金设计没有采用超低碳。由于碳含量的增加,如果没有足够的推迟多边形铁素体转变的合金元素,奥氏体就会向铁素体与渗碳体两相分解,从而出现珠光体组织。由于本钢种取消了Mo,添加了Cu。铜虽然具有一定推迟多边形铁素体转变的作用,但铜含量有限,这种效果不是很明显,结果导致了珠光体的出现。从金相组织看,试验钢中M/A岛数量偏少。这主要与出现珠光体有关。珠光体的出现使得残余奥氏体量减少,从而造成M/A岛数量减少。同时看出M/A岛尺寸偏大,这与转变后的铁素体晶粒大小有关,铁素体晶粒越大,M/A岛尺寸越大。这主要是铁素体越细,导致分隔包围的残余奥氏体尺寸越小,最终转化的M/A岛尺寸就越小。从表4试验钢B力学性能上看,由于试验钢B出现了珠光体组织,珠光体组织的强化途径较少;再加上M/A岛数量偏少以及晶粒较大,强度指标较低。加入铜之后,笔者寄希望于-Cu(富铜相)在冷却过程中析出,产生沉淀强化4。从强度指标看,没有完全达到上述目的。据国内有些资料显示,当Cu质量分数达到0.5%以上时效果才比较明显,如果继续增加Cu的含量,为了消除铜的热脆性,需要加入更多Ni,势必会增加钢成本4。从表4看,试验钢B韧性指标比较低,由于碳含量较高,导致渗碳体的出现,同时由于组织中出现了珠光体和贝氏体的混合组织。并且晶粒大小不一,出现混晶的现象,从而导致晶粒与晶粒之间的变形不能很好协调,容易在晶界处产生应力集中,导致塑性恶化。另一方面,金相组织中M/A岛尺寸很大,也是导致塑性较差的重要原因。2.3试验钢C合金成分对材料组织和性能的影响图3(a)是试验钢C在加热温度1250、终轧温度810、950以下温度变形量50%左右条件下金相组织照片,试验钢C的组织为典型的粒状贝氏体组织,在图3(b)中可以看见明显板条状铁素体组织,图3(a)中可以看见在贝氏体铁素体机体上分布着比较均匀细小M/A岛,M/A岛的弦长基本上都在几个微米以内。从国内外已有的研究结果看:当钢中碳质量分数降到0.05%以下时,这种钢在经过高温奥氏体化以及热变形后的冷却过程中,不再发生奥氏体向铁素体与渗碳体的两相分解,通过C、Mn、B、Nb等合金元素,特别是B和Nb在奥氏体晶界上的偏聚作用,不需要添加过多合金元素就能够在空冷条件下得到贝氏体组织5。由于在这类钢中碳质量分数已经降低到0.05%以下,传统意义上的铁素体/渗碳体组织已经不复存在,因此碳的危害,渗碳体对贝氏体韧性的影响等问题已完全消除,同时钢材的焊接性能极佳,由于这类钢的碳含量已经很低,所以无渗碳体生成。因此这类钢中得到的贝氏体一般为粒状贝氏体组织。如果能很好地控制粒状贝氏体中M/A岛的数量、尺寸及内部组织,这种贝氏体在具有较高强度的同时具有很高的韧性5。试验结果证实了上述分析。从组织看M/A岛的数量适中,M/A岛尺寸细小(几个微米),因此从表4中可以看出试验钢C表现出较高的强度和足够的韧性。对于粒状贝氏体组织来说,钢的韧性取决于M/A岛平均弦长和M/A岛数量。当小岛总量相近时,随小岛平均弦长的减少,韧性增加6,晶粒的数目增多,单位体积晶界面积增多,从而使多晶体塑性变形时不易产生应力集中,故裂纹不易形成。另外,晶界增多也不利于裂纹的传播,从而提高了韧性2。小岛尺寸相近时,韧性随小岛总量的增加而降低。主要是由于在小岛总量增加时,塑性的铁素体变形时的滑移自由程减少,导致塑性降低。另一方面,小岛总量的降低还会带来强度指标下降,因此适量小岛数量也是必需的,从图3(a)组织看M/A岛的数量适中。试验钢C由于采用了超低碳、低S、P合金设计,给炼钢带来一定难度,也增加一定的成本。但是试验钢C减少合金数量,合金成本大幅度降低,从总成本来看相差不大。3结论1)试验钢C采用超低碳及适量B和Nb,合金成本低廉。只要工艺参数控制适当,该钢种空冷条件下表现出高强度、高韧性,是(超)低碳贝氏体H型钢理想钢种。2)要使粒状贝氏体组织获得高强度、高韧性、良好的焊接性能,组织中M/A岛数量要适中,尺寸要细小,M/A岛中马氏体相对含量较少。3)超低碳(小于等于0.05%)是获得理想粒状贝氏体组织关键,随着碳的质量分数增加到010%左右(即由超低碳变为低碳),无论增加Mo或者Cu,均不能获得理想粒状贝氏体组织。参考文献:1康沫狂,杨思品,管敦惠.钢中贝氏体M.上海:上海科学技术出版,1990.2舒朝晖,陈文梅,杨柳.低(超低)碳贝氏体钢DB590的研制J.四川大学学报,2000,32(6):51.3方鸿生,刘东雨,徐平光,等.贝氏体钢的强韧化途径J.机械工程材料,2001,25(6):1.4木村达

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