砷對45鋼組織及力學(xué)性能的影響

1、砷對45鋼組織及力學(xué)性能的影響摘要:采用膨脹法、金相法研究了不同As含量45鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程, 分析了45 鋼在不同冷速下過冷奧氏體的組織轉(zhuǎn)變, 測定了試驗(yàn)鋼的室溫抗拉強(qiáng)度與沖擊功, 并利用掃描電鏡(SEM)觀察了斷口形貌。研究結(jié)果表明, 隨砷含量的增加, 45鋼組織中的鐵素體含量增加, 且較易形成晶內(nèi)鐵素體;砷的加入縮短了貝氏體轉(zhuǎn)變的孕育期, 使45 鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線明顯左移, 其Ms點(diǎn)溫度隨砷含量的增加依次下降;砷含量<0.25%時(shí), 對45鋼強(qiáng)度與韌性的影響并不明顯。關(guān)鍵詞:45鋼;砷;CCT曲線;力學(xué)性能中圖分類號:TG142.1 +3文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文

2、章編號:0254-6051(2010)02-0033-06Effectofarseniconmicrostructureandmechanicalpropertiesof45 steelCHENGHui-jing1, WANGFu-ming1 , LIChang-rong2 , TANYan-ping1, WANGJian-jun3(1.SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China;2 .SchoolofMaterialsS

3、cienceandEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China;3.JiangyinXingchengSpecialSteelCo., Ltd, JiangyinJiangsu214429, China)Abstract:Thecontinuouscoolingtransformationcurvesfor45 steelswithvaried contentsofarsenicwereexaminedbyuseofthermaldilatometerandmetallography.And

4、themicrostructureobtainedatdifferentcoolingrateswasanalyzed.Theroom temperaturetensilestrengthandtheimpactenergyofthetestedsteelsweremeasuredandthefractographywasobservedusingSEM.TheresultsshowthattheferritecontentsincreaseandtheintragranularferritephaseiseasilyformedwiththeincreaseofamountofAsin45

5、steel.TheadditionofAsshortenstheincubationperiodofbainitetransformationandmakestheCCTcurveof45 steelshifttoleft.Atthesametime, MspointisdecreasedbyincreasingtheAscontent.WhentheAscontentislessthan0.25%, arsenichasnosignificanteffectonthestrengthandtoughnessof45steel.Keywords:45 steel;arsenic(As);CCT

6、curve;mechanicalproperties收稿日期:2009-09-15基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50574010);教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20060008015)作者簡介:程慧靜(1976 ), 女, 山東濟(jì)南人, 在讀博士研究生, 主要研究方向是對Nb、V復(fù)合微合金化強(qiáng)韌化機(jī)理方面的研究, 已發(fā)表論文3篇。聯(lián)系人:王福明聯(lián)系電話 E-mail:Wangfuming鋼中的殘余元素問題是當(dāng)代冶金工業(yè)面臨的重要問題之一 1 。砷是鋼中經(jīng)常出現(xiàn)的殘余有害元素之一, 它一般來源于煉鋼原料中, 我國南方部分鐵礦石中含有較高的砷元素 2 , 以廣東大寶山礦為例

7、, 砷多以臭蔥石(FeAsO4·2H2O)形態(tài)存在, 也有以其他自然界砷化物形態(tài)存在的 3 。一旦含砷鐵礦石進(jìn)入高爐便被全部還原進(jìn)入生鐵 4 , 在煉鋼過程中是不可能被氧化去除的, 且會不斷富集殘留到鋼中 5 。使用這種礦石所生產(chǎn)的鋼, 其砷含量一般都在0.09%左右 6 。此外, 隨著廢鋼不斷的反復(fù)循環(huán)使用, 這些殘留元素在鋼中的含量不斷累積, 致使一些鋼廠生產(chǎn)的鋼中砷含量嚴(yán)重超標(biāo), 有的甚至高于0.1%, 從而顯著降低了鋼材的韌性及熱塑性, 并嚴(yán)重影響了鋼材的熱加工性能 7 。由于含As鋼在表面氧化的情況下會產(chǎn)生選擇性氧化, 曾經(jīng)有試驗(yàn)表明 8 , 當(dāng)砷含量0.020 %時(shí),鋼板

8、不出現(xiàn)裂紋, 但是當(dāng)砷含量>0.020%時(shí), 鋼板表面會出現(xiàn)微裂紋(加熱工藝控制不當(dāng)), 而且砷含量越高, 出現(xiàn)的裂紋越嚴(yán)重。因此, 對于有特殊用途的鋼均嚴(yán)格控制砷的含量。限制鋼中砷含量, 不僅保證鋼材的性能, 也是為了將廢鋼重熔時(shí)防止砷的“擴(kuò)散” 。而隨著含砷鐵礦資源的不斷開發(fā), 深入研究砷對鋼性能的影響規(guī)律, 尋求砷元素在鋼中的允許存在含量, 避免由此導(dǎo)致鋼性能的降低, 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義 9 。但關(guān)于As元素對中碳鋼的相變與組織性能影響的系統(tǒng)研究文獻(xiàn)報(bào)道較少。本工作以45鋼為研究對象, 通過添加不同含量的As測定其相應(yīng)的過冷奧氏體連續(xù)冷卻曲線(CCT)及其力學(xué)性能, 從而研究砷元素

9、對中碳鋼的相變及組織性能的影響。DOI :10.13251/j .issn.0254 -6051.2010.02.03334第35卷1試驗(yàn)材料與方法1.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)用鋼以普通45鋼為原料, 加入不同含量的As元素, 在ZG-0.01型真空感應(yīng)爐中冶煉3爐鋼, 每爐6 kg, 其化學(xué)成分見表1所示。以45鋼實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)為依據(jù), 對鑄錠作進(jìn)一步鍛造, 其開鍛溫度在1100 以上, 終鍛溫度為850 900 , 鍛后空冷, 得到 20 mm的棒材。利用線切割機(jī)將試樣加工成4 mm×10 mm的圓柱形熱膨脹試樣、 6 mm×30 mm拉伸試樣和V型標(biāo)準(zhǔn)10 mm×1

10、0 mm×55 mm的沖擊試樣。表1試驗(yàn)鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)Table1Chemicalcompositionofthetestedsteels(wt%)試樣號C Si Mn P S As1 0.420 0.220 0.650 0.013 0.017 02 0.430 0.260 0.622 0.013 0.016 0.0453 0.430 0.290 0.630 0.019 0.014 0.2501.2試驗(yàn)設(shè)備及方法采用Baehr-Thermo熱分析公司生產(chǎn)的DLL805淬火/變形熱膨脹儀(相變儀), 以10 /s的加熱速率分別將3組試樣從室溫加熱到1100 并保溫5 mi

11、n, 使得試驗(yàn)鋼中合金元素充分固溶, 再以10 /s的冷速冷卻至950 均熱30 s, 使得奧氏體均勻化, 然后分別以13種不同冷速冷卻至室溫, 具體工藝如圖1所示。圖1測定CCT曲線工藝Fig.1Schematicofthecontinuouscoolingprocesses室溫條件下, 拉伸試驗(yàn)與沖擊試驗(yàn)分別在MTS810材料試驗(yàn)機(jī)和JB300B型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。并利用SEM電鏡對斷口形貌進(jìn)行觀察與分析。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1As對45鋼鍛后空冷組織的影響三種試驗(yàn)鋼經(jīng)鍛后空冷的金相組織如圖2所示。由圖2可知, 三種試驗(yàn)鋼的空冷組織均為鐵素體和珠光體組織, 由于砷元素在奧氏體中的溶解增大了

12、奧氏體晶粒的畸變能, 增加了奧氏體點(diǎn)陣的空隙使得碳原子擴(kuò)散更容易, 從而使得2號、3號鋼中形成相對較多的晶內(nèi)鐵素體, 且鐵素體含量隨砷含量的增加而增加,利用圖像分析軟件計(jì)算1號、2 號、3號鋼的鐵素體平均含量分別為26.7%、34.5%、39.4%。圖2試驗(yàn)鋼的鍛后空冷顯微組織(a)1 號鋼;(b)2號鋼;(c)3 號鋼Fig2Microstructureofthetestedsteelsas-forgedcooledbyair(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.32.2As對45鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變組織的影響為了控制室溫下材料的組織和性能, 必須了解

13、材料在冷卻過程中的組織變化, 而鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線可以清晰的描述鋼的組織轉(zhuǎn)變過程。通過測定不同冷速條件下的溫度-膨脹量曲線, 結(jié)合金相顯微鏡觀測結(jié)果, 采用切線法確定每種工藝不同冷速下對應(yīng)的溫度膨脹曲線的相變開始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)。將每種工藝測得的一組數(shù)據(jù)加以整理, 得到三種試驗(yàn)鋼CCT曲線, 如圖3所示。由圖3可以看出, 三種試驗(yàn)鋼的CCT曲線均可分為3個區(qū)域:高溫轉(zhuǎn)變區(qū)(550 750 左右), 相變產(chǎn)物主要為鐵素體(F)和珠光體(P), 它是由鐵素體轉(zhuǎn)變開始線和終了線, 以及珠光體轉(zhuǎn)變開始線、終了線所第2期程慧靜, 等:砷對45鋼組織及力學(xué)性能的影響35組成;中溫轉(zhuǎn)變區(qū)(4

14、00 580 左右), 相變產(chǎn)物主要是貝氏體(B);低溫轉(zhuǎn)變區(qū)(180 380 左右),相變產(chǎn)物主要為馬氏體(M)。砷是封閉相區(qū)的元素, 殘余元素砷不但能在基圖3三種試驗(yàn)鋼的CCT曲線(a)1 號鋼;(b)2號鋼;(c)3 號鋼Fig.3CCTcurvesofthethreetestedsteels(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.3體里以置換固溶的方式溶解, 還能與基體的鐵元素生成AsxFey型產(chǎn)物, 減少碳在基體里的溶解, 增加組織中的碳化物 10 , 從而對45鋼的連續(xù)冷卻曲線產(chǎn)生影響。對比三種試驗(yàn)鋼的CCT曲線可以看出, 與未添加砷元素的1號鋼相

15、比, 含砷量分別為0.045%和0.25%的2號、3號鋼的CCT曲線明顯左移, 此左移規(guī)律與馮贊研究的砷對E36船板鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的影響相一致 11 , 同時(shí), 隨砷含量的增加, 珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域隨之變寬, 貝氏體區(qū)的轉(zhuǎn)變時(shí)間明顯縮短;馬氏體相變點(diǎn)Ms溫度也隨砷含量的增加分別降低了2.9 和5.4 ,這是由于加熱時(shí)溶入奧氏體中的砷元素降低了奧氏體的化學(xué)自由能, 或升高了馬氏體的化學(xué)自由能, 從而減少了兩者之間的差值 12 , 降低了Ms點(diǎn)溫度。不同冷速下試樣的金相組織如圖4 8所示。由圖4冷卻速度為0.2 /s三組試樣的顯微組織(a)1 號鋼;(b)2號鋼;(c)3 號鋼Fig.4Micro

16、structureofthethreetestedsteelsatcoolingrate0.2 /s(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.3圖5冷卻速度為10 /s三組試樣的顯微組織(a)1 號鋼;(b)2號鋼;(c)3 號鋼Fig.5Microstructureofthethreetestedsteelsatcoolingrate10 /s(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.336第35卷圖4 8可知, 隨著冷速的增加, 組織中的鐵素體與珠光體數(shù)量隨之減少, 且沿晶鐵素體越來越細(xì)小, 組織由鐵素體和珠光體向貝氏體和馬氏

17、體轉(zhuǎn)變。對比同一冷速下三組試驗(yàn)鋼的金相組織可知, 隨著As含量的增加, 組織中先共析鐵素體含量逐漸增加(如圖4 所示)。當(dāng)冷速為10 /s時(shí), 1號鋼中開始有貝氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生, 而含砷的2號、3號鋼中組織仍為鐵素體和珠光體(如圖5所示)。當(dāng)冷速達(dá)到30/s時(shí), 1號、2號鋼中已基本無鐵素體和珠光體, 組織主要是貝氏體和馬氏體, 而含砷量相對最高的3號鋼中仍存在少量鐵素體和珠光體組織(如圖6(c)所示)。當(dāng)冷速達(dá)到70 /s時(shí), 1號鋼中以馬氏體組織為主, 基本已無貝氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生, 2號、3號鋼中仍以貝氏體和馬氏體的混合組織為主(如圖7中(b)、(c)所示);當(dāng)冷速達(dá)到120 /s時(shí), 三種試驗(yàn)鋼

18、組織均為馬氏體(如圖8所示)。2.3As對45鋼力學(xué)性能的影響室溫條件下, 三組試驗(yàn)鋼的拉伸及沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表2所示。由測試結(jié)果可知, 砷的加入使得45鋼的圖6冷卻速度為30 /s三組試樣的顯微組織(a)1 號鋼;(b)2號鋼;(c)3 號鋼Fig.6Microstructureofthethreetestedsteelsatcoolingrate30 /s(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.3圖7冷卻速度為70 /s三組試樣的顯微組織(a)1 號鋼;(b)2號鋼;(c)3 號鋼Fig.7Microstructureofthethreetestedstee

19、lsatcoolingrate70 /s(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.3圖8三組試樣冷卻速度為120 /s的顯微組織(a)1 號鋼;(b)2號鋼;(c)3 號鋼Fig.8Microstructureofthethreetestedsteelsatcoolingrate120 /s(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.3第2期程慧靜, 等:砷對45鋼組織及力學(xué)性能的影響37拉伸性能略有下降, 只是含砷量0.045%的2號鋼屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均低于含砷量為0.25%的3號鋼。這個結(jié)果可以從前面測定的幾組CCT曲線來說明

20、, 由于As使得CCT曲線左移, 因此不含As的1號試樣的組織比較細(xì)小, 強(qiáng)度與塑性也較高。通過對拉伸斷口的微觀組織觀察可知(如圖9所示), 砷元素的加入對45鋼的抗拉強(qiáng)度造成的影響不大, 沿晶斷裂并不明顯, 其韌窩斷裂是伴隨有大量范性形變的斷裂。在拉應(yīng)力的作用下, 當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度之后, 材料開始產(chǎn)生范性形變, 在夾雜物存在的地方易產(chǎn)生應(yīng)力集中, 進(jìn)而在夾雜物與鋼基體的交界面處產(chǎn)生微孔, 隨著應(yīng)變的增加, 微孔不斷增大, 最后通過韌窩互相聯(lián)合導(dǎo)致斷裂 13 。在掃描電鏡下可發(fā)現(xiàn)以夾雜物為核心的韌窩(如圖10所示), 證明微孔多萌生于夾雜物或第二相與基體的界面上, 從而降低其抗拉強(qiáng)度。

21、表2試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Table2Mechanicalpropertiesofthetestedsteels試樣號屈服強(qiáng)度Rel/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa伸長率A/%收縮率Z/%沖擊韌度AKV/J1 387.5 657.5 25.0 53.5 19.02 377.5 652.5 22.5 48.5 16.53 385.0 655.0 24.0 52.0 23.5就沖擊功而言, 與1號鋼相比, 2號鋼略低2.5 J,3號鋼則要略高4.5 J。由沖擊斷口形貌可知(如圖11所示), 其河流條紋自準(zhǔn)解理面的中心向四周發(fā)散, 流至晶界處停止, 準(zhǔn)解理面周圍有韌窩存在。由其準(zhǔn)解理?xiàng)l紋走向可知, 準(zhǔn)解理?xiàng)l紋

22、終止于撕裂嶺處, 各相鄰圖9試驗(yàn)鋼的拉伸斷口形貌:(a)1號鋼;(b)2號鋼;(c)3號鋼Fig.9Tensilefracturemorphologyofthetestedsteels:(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.3圖10A點(diǎn)夾雜物形貌(a)及能譜(b)Fig.10Inclusionmorphology(a)andenergyspectrum(b)ofpointA圖11試驗(yàn)鋼沖擊斷口局部解理單元形貌:(a)1號鋼;(b)2號鋼;(c)3號鋼Fig.11Cleavagefracturesofthetestedsteels:(a)steelNo.1;(

23、b)steelNo.2;(c)steelNo.338第35卷準(zhǔn)解理?xiàng)l紋在撕裂嶺處存在高度差。由于準(zhǔn)解理組織的大小與試驗(yàn)鋼的韌性有關(guān), 尺寸越小表示韌性越好,而3號鋼準(zhǔn)解理區(qū)組織尺寸相對最小, 因此, 其是韌性則為三種試驗(yàn)鋼中最好的。3結(jié)論1)隨砷含量的增加, 45 鋼中鐵素體含量隨之增加, 且較易形成晶內(nèi)鐵素體。2)測定不同含砷量45鋼的CCT曲線, 獲得了砷元素對45鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中相變的影響規(guī)律。砷的加入縮短了貝氏體轉(zhuǎn)變的孕育期, 使45鋼的CCT曲線明顯左移, 其Ms點(diǎn)溫度隨砷含量的增加而依次下降。3)45鋼中少量的砷元素(<0.25%)對其強(qiáng)度和韌性的影響并不明顯。

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