奥氏体形变对超低碳马氏体钢结构和性能的影响

奥氏体形变对超低碳马氏体钢结构和性能的影响

几十年来，钢和马体的微观结构及其强度和弹性一直是人们研究的重点之一。特别是自上世纪90年代以来，EBSD技术以其对晶体取向分析方便快捷的优点而被迅速应用于马氏体钢研究，大大深化了人们对马氏体结构特征的认识[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。研究表明，低碳钢板条马氏体具有多尺度结构。原奥氏体晶粒被分割成若干个板条束(Packet，由具有同一个惯习面的板条组成)，每个板条束被进一步分成板条块(block，由相同或相近取向的板条组成)，而每个板条块还可再分为亚板条块(sub-block，由相同取向板条组成)，见图1。上述多尺度结构特征是由马氏体与母相奥氏体具有K-S晶体学取向关系所决定。近30年来，超低碳贝氏体或马氏体钢以其具有良好的强韧性匹配及优异的焊接性而得到了广泛应用。这种钢的碳含量从传统马氏体钢的不低于0.1wt．%降低至0.05wt．%左右乃至更低，从而减少甚至消除了对韧性不利的碳化物。降碳对钢强度造成的不利影响则通过实施控轧控冷工艺细化组织来补偿。然而，通过EBSD技术表征这类钢结构特征的工作还较少见。本文通过EBSD考察了超低碳马氏体钢的结构特点及板条块尺寸与原奥氏体晶粒尺寸的关系，分析了奥氏体形变对板条块尺寸和钢的强度的影响。1试验钢组织结构采用150kg真空感应炉冶炼两炉试验钢，其化学成分见表1。1#试验钢经锻造开坯和轧制后，取若干样品分别在900℃、1050℃和1200℃保温1h完全奥氏体化，然后水冷到350℃，再空冷到室温。2#试验钢经冶炼和锻造开坯后，加工成阶梯形样品进行轧制试验。将阶梯状试样加热至1180℃保温1h后，空冷至约770℃进行单道次轧制，轧后水冷至200℃左右，再空冷到室温。各阶梯的压下变形量分别为15%、30%、45%和60%。通过光学显微镜及EBSD试验考察了试验钢的微观组织结构，采用截线法测定了原奥氏体晶粒尺寸及板条块尺寸。在MTS拉伸试验机上测定了试验钢的拉伸性能。2结果与讨论2.1大尺寸马氏体的多尺度结构图2为1#试验钢分别在900℃、1050℃和1200℃保温1h的奥氏体组织。经测定奥氏体平均晶粒尺寸分别为12.6μm、25.7μm和39.0μm。图3给出了1#钢不同晶粒尺寸奥氏体转变为马氏体的EBSD取向图、晶界图和图像质量图。图4a为图3b的局部放大，白色线框区域为相变前的单个奥氏体晶粒。马氏体变体{100}极图如图4b所示，其中“○”代表按K-S关系计算的马氏体变体。实验测量的马氏体变体取向与按K-S关系拟合的结果吻合较好，平均偏离角度为3.4°。这表明马氏体与原奥氏体符合K-S关系。另外，图4a中清晰可见超低碳马氏体的多尺度结构，即原始奥氏体晶粒→板条束(packet)→板条块(block)→亚板条块(sub-block)，除了亚板条块之间为小角度界面外，其余结构单元之间均被大角度界面所分割。根据EBSD晶界图测量了不同加热温度下马氏体block宽度，结果见图5。由图可见，随奥氏体晶粒尺寸的增大，block平均宽度增加。图5还给出了文献中报道的0.2%钢及超低碳马氏体时效钢的block宽度与奥氏体晶粒尺寸的关系。可见在奥氏体晶粒尺寸相同情况下，超低碳钢的block宽度明显大于0.2%C钢。研究表明，block宽度是控制板条组织屈服强度的有效晶粒尺寸，block强化对屈服强度的贡献可由下式估算:上式中db为block宽度，单位为μm。根据上式，结合图5中数据计算了不同钢的block强化增量，结果见图6。可见在奥氏体晶粒尺寸相同情况下，超低碳钢由于block尺寸增大其强化作用明显低于0.2%C钢，约低150MPa。板条马氏体或贝氏体具有多尺度特征是为了降低相变阻力而发生自协调的结果，通常相变阻力越大，block尺寸越小。提高钢中碳含量将使相变温度降低，再加上碳原子对奥氏体的固溶强化作用，奥氏体将难以变形，相变阻力增大，因而其block宽度将减小。然而，提高碳含量一般会降低钢的韧性。如何在不提高C含量的情况下细化block尺寸，进而提高其强度呢?在2.2节中将会看到，奥氏体形变将促使block细化，从而提高强度。2.2解决了“大角度”界面对钢板自图7给出了2#试验钢不同轧制变形量下的EBSD取向图及晶界图。晶界图中红色代表小于5°的小角度界面，主要是板条界;蓝色代表5°～10°的小角度界面，主要为sub-block界;绿色代表大于10°的大角度界面，由于图中分析区域限于一个或两个奥氏体晶粒，因此这些大角度界面主要为Block界，也有少量packet界。图8给出了不同变形量下block宽度及钢板屈服强度的测量结果。由图可见，奥氏体变形使block宽度减小，由此导致屈服强度升高。图9给出了晶界取向差的统计结果。奥氏体变形使马氏体中7.5°左右(sub-block界面)的界面比例降低，而使60°左右(block界面)的界面比例增加，即大量小角度的sub-block界面被大角度的block界面所取代。变形在奥氏体内部引入大量位错及形变微带等缺陷，奥氏体得到强化而难以发生变形，马氏体相变自协调生成更多的block以降低相变阻力，这可能是block细化的主要原因。3减少减少马氏体变形取向的实验结果(4)奥氏体形变能明显细化超低碳马氏体板条块，从而提高其强度。(1)超低碳马氏体具有多尺度结构,从大到小依次为:原始奥氏体