低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼中殘余奧氏體的研究_圖文

1、材料熱處理技術(shù) Material &Heat Treatment 2010年 5月非調(diào)質(zhì)鋼因 省去傳統(tǒng)的 調(diào)質(zhì)處理而 顯示 出 節(jié) 能 、 節(jié)時 、 降低生產(chǎn)成本等多種優(yōu)點 1。 隨著人們對 鋼材要求的不斷提高 , 原有的鐵素體 -珠光體鋼 、 低 碳貝氏體鋼很難滿足高強韌性的要求 , 發(fā)展以馬氏 體進(jìn)行強化的高強度非調(diào)質(zhì)鋼成為一個主 要研究 方向 。 低碳板條馬氏體具有高強度和良好的塑性與 韌性 , 是我們希望獲得的理想組織 。 美國查帕爾鋼 鐵公司 Wright 2-3的研 究結(jié)果進(jìn) 一步證實了 低碳馬 氏體型非調(diào)質(zhì)鋼具有其他鋼材無可比擬的優(yōu)勢 , 為 其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)

2、 。馬氏體相變具有不完全性 , 總有一定數(shù)量的殘 余奧氏體與馬氏體伴生 。 殘余奧氏體是高韌性相 , 它的存在有助于抑制裂紋的擴(kuò)展 , 提高鋼的塑性與 韌性 。 然而 , 對馬氏體相變晶體學(xué)和形態(tài)學(xué)研究的 結(jié)果表明 4, 馬氏體相變過程中母相奧氏體將發(fā)生 充分的塑性協(xié)調(diào) , 導(dǎo)致 M/A界面處位錯高密度塞 集 。 雖然回火或自回火能有效緩解由位錯塞集引起 的應(yīng)力集中 , 但可能導(dǎo)致碳化物從殘余奧氏體中析 出而顯著降低材料的塑性與韌性 。 本文在基本不改 變我國鋼鐵生產(chǎn)現(xiàn)有條件的情況下 , 利用較為廉價 的 Mn 、 Si 為主要合金元素 , 獲得低碳馬氏體非調(diào)質(zhì) 鋼 , 并研究了鋼中殘余奧氏體

3、對力學(xué)性能的影響 。1實驗材料及方法實驗用鋼的化學(xué)成分如表 1所示 。 所用原料應(yīng) 除銹 、 干燥 ; 鋼的熔煉與澆鑄過程均在 ZG-0.025型中 頻感應(yīng)真空熔煉爐中進(jìn)行 , 以防止有害雜質(zhì)和氣體 的混入 , 減少合金元素在熔煉過程中的燒損 。 鑄錠 質(zhì)量為 15.5kg , 尺寸為 準(zhǔn) (80100 mm ×300mm 。低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼中殘余奧氏體的研究 李煒新(廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系 , 河北 廊坊 065000摘 要 :殘余奧氏體是非穩(wěn)定的韌性相 , 其分布狀態(tài) 、 含量以及穩(wěn)定性對低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼的性能具有重要的影 響 。 對成分在 0.1%0.2%C、 3.0

4、%3.5%Mn、 1.6%1.8%Si和 0.5%0.6%Cr的三種鋼的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行 分析測定 。 結(jié)果發(fā)現(xiàn) :隨碳含量的增加 , 殘余奧氏體含量由 2.6%增至 8.6%, 且具有很高的熱穩(wěn)定性 , 造成低碳馬氏體非 調(diào)質(zhì)鋼能夠在保持高強度 (b >1380MPa 的同時具有很好的塑性 (5>12%。關(guān)鍵詞 :殘余奧氏體 ; 非調(diào)質(zhì)鋼 ; 馬氏體 ; 熱穩(wěn)定性中圖分類號 :TG142.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 文章編號 :1001-3814(201010-0080-03 Research on Retained Austenite in Low -carbon Non -qu

5、enched -tempered Martensite SteelLI Weixin(Department of Mechanical Engineering, Langfang Vocational Institute, Langfang 065000, China Abstract :The retained austenite is an unstable toughness phase, whose distribution, content and stability have an important effect on the mechanical properties of l

6、ow-carbon non-quenched-tempered martensitic steel. The microstructure and mechanical properties of three kinds of steel within the composition range of 3.0%3.5%Mn,1.6%1.8%Si0.5% 0.6%Cr,and 0.1%0.2%Cwere studied. The results show that the amount of the retained austenite increases from 2.6%to 8.6%wit

7、h the increase of the amount of carbon, and it has high thermal stability, so the low-carbon non-quenched-tempered martensitic steel possess very high strength (b >1380MPa as well as good plasticity (5>12%.Key words :retained austenite; non-quenched and tempered steel; martensite; thermal stab

8、ility收稿日期 :2009-10-26作者簡介 :李煒新 (1962-, 男 , 河北固安人 , 副教授 , 主要從事金屬材料 方面的研究及教學(xué)工作 ; 電話 E-mail:jiaowu2009表 1實驗用鋼化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) , % Tab.1Chemical composition of the testing steels (wt,% 鋼號 C Mn Si Cr 1#0.113.041.830.59 2#0.183.531.620.51 3#0.203.591.630.5080Hot Working Technology 2010, Vol.39,No.

9、10 熱加工工藝 2010年第 39卷第 10期材料熱處理技術(shù)Material &Heat Treatment 下半月出版將鑄錠加熱至 1200 鍛造成斷面尺寸為 準(zhǔn) 25mm 的棒材 , 然后空冷 。 在實驗條件下 , 由于單件鍛造 , 每種材料的鍛造工藝很難控制一致 , 試樣表面狀態(tài) 很難做到完全均勻 。 為模擬鋼廠鋼材軋制的條件 , 對 鍛后空冷的試樣在 1000 ×30min 條件下重新奧氏 體化 , 根據(jù)材料成分采用空冷或水冷方式 , 以得到低 碳板條馬氏體組織 。 為研究鋼中殘余奧氏體的穩(wěn)定 性 , 分別在 300、 350、 400、 450和 500 進(jìn)行回火

10、處 理 , 保溫時間為 90min 。將鋼制成 準(zhǔn) 10mm 標(biāo)準(zhǔn)試樣 , 采用上海計量儀 器制造有限公司的 SHT-4505型萬能試驗機(jī)進(jìn)行力 學(xué)性能測定 。 采用 OLYMPUS-BH 型金相顯微鏡和Philips 公司的 TECNAI 透射電鏡 進(jìn)行 顯 微 組 織 觀察 ; 利用荷蘭 Philips 公司的 XL-30型掃描電鏡對樣 品拉伸后的斷口形貌進(jìn)行分析觀察 ; 利用日本理學(xué) 的 Dmax- 型 X 射線衍射儀 (Cu-K為輻射源 對樣 品進(jìn)行物相分析 , 測定條件為 :加速電壓 40kV , 加速電流 100mA 。 根據(jù) X-ray 衍射譜 , 分別以 和 兩相的兩個代表性衍

11、射峰 (211和 (311為參考 , 采用對比法由公式 (1求出鋼中殘余奧氏體含量 5-6。f =11+I C (1式中 :f 為殘余奧氏體含量 ; I 為 (211衍射峰的積 分強度 ; C 為 相系數(shù) ; I 為 (311衍射峰的積分強 度 ; C 為 相系數(shù) 。2實驗結(jié)果與分析圖 1是三種鋼經(jīng)不同工藝處理后的顯微組織 。由于 1#鋼碳含量很低 (0.11%, 因此 , 需快速冷卻 (水 冷 才能獲得低碳板條馬氏體組織 。 隨鋼中碳含量 增加 , 并在 Mn 、 Si 、 Cr 等合金元素的配合下 , 鋼的淬 透性提高 , 2#和 3#鋼經(jīng) 1000 ×30min 奧氏體化后 空

12、冷即可獲得低碳板條馬氏體組織 。表 2是三種具有低碳板條馬氏體組織的鋼的力學(xué)性能 。 可見 , 三種鋼都具有很高的強度和很好的塑 性 , 特別是 3#鋼具有 b =1703.7MPa 的高強度和 5=12.1%的良好塑性 , 并且在 -60 時仍具有 A k =11J的良好沖擊韌性 。 這充分說明了低碳馬氏體型非調(diào) 質(zhì)鋼的優(yōu)勢 。圖 2是 3#鋼 經(jīng) 1000 ×30min 正 火 處 理 后 拉伸試樣的斷口組織 , 有較多的撕裂棱和明顯的韌窩 , 再次證實了該鋼具有好的塑性和韌性 。圖 3是對應(yīng)圖 1中三種鋼的 XRD 譜 。 可以看 出 , 雖然馬氏體相的衍射峰很強 (圖中標(biāo) “

13、 ” 的衍 射峰 , 但奧氏體相的衍射峰也比較清晰 (圖中標(biāo) “ ” 的衍射峰 , 并且 , 隨著鋼中碳含量的增加 , 奧氏 體相的衍射峰增強 。 利用公式 (1可計算出三種鋼 的殘余奧氏體含量分別為 2.6%, 5.0%和 8.6%。 說明表 2實驗用鋼的力學(xué)性能Tab.2Mechanical properties of the testing steels鋼號處理狀態(tài)b /MPa 5(%A k /J 22 -60 1#1000 ×30min 淬火 1382.8 13.9/2#1000 ×30min 正火 1465.212.753223#1000 ×30min

14、正火1703.712.11811圖 23#鋼經(jīng) 1000 ×30min 正火處理后拉伸試樣的斷口形貌Fig.2Fracture morphology of 3#sample after normalizationat 1000 for 30min81Hot Working Technology 2010, Vol.39,No.10材料熱處理技術(shù) Material &Heat Treatment2010年 5月Mn 、 Si 、 Cr 等合金元素與碳相互配合在提高鋼的淬透性和穩(wěn)定奧氏體方面的作用十分顯著 。 殘余奧氏 體一般以薄膜形式存在于板條馬氏體之間 , 由于是 高塑性相

15、, 能夠通過塑性變形吸收外界應(yīng)力 , 在變形 時起到 “ 潤滑 ” 作用 , 阻止或延緩馬氏體中裂紋的萌 生 , 增強裂紋擴(kuò)展抗力 , 從而使鋼在具有高強度的同 時又有很好的塑性 7-8。圖 4為 3#鋼經(jīng)不同工藝處理后的 XRD 譜 , 幾 種處理狀態(tài)的樣品均表現(xiàn)出明顯的奧氏體衍射峰 , 即使是經(jīng) 450 回火 90min , 仍有較為明顯的奧氏 體 衍 射 峰 存 在 , 這 說 明 殘 余 奧 氏 體 的 熱 穩(wěn) 定 性 很 高 。 產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因是鋼的合金化程度 高 , 增加了奧氏體的穩(wěn)定性 , 使奧氏體不易分解 , 特 別是 Si , 在阻止板條馬氏體中滲碳體的析出以及提 高

16、馬氏體板條間奧氏體的穩(wěn)定性方面起到了十分重 要的作用 9-10。通過對 3#鋼 經(jīng) 1000 ×30min 正 火 處 理 的 樣 品在 -60 ×90min 條件下進(jìn)行冷處理 , 發(fā)現(xiàn)鋼中仍 有 4.46%的殘余奧氏體存在 , 也說明了殘余奧氏體 的熱穩(wěn)定性非常好 。最后 , 分別在 3#鋼經(jīng) 1000 ×90min 正火處理的拉伸試樣斷口部位和夾持部位進(jìn)行 X 射線衍射 分析 , 結(jié)果表明 , 樣品斷 口處的殘余 奧氏體量為2.17%, 而試樣未變形的夾持位置殘余奧氏體量為8.21%, 說明該鋼在 1703.7MPa 強大的機(jī)械應(yīng)力作用下 , 雖然有部分殘余奧

17、氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變 , 但仍保留 了少量的殘余奧氏體 , 可見其機(jī)械穩(wěn)定性也很好 。3結(jié)論(1成 分 在 0.1%0.2%C 、 3.0%3.5%Mn 、1.6%1.8%Si和 0.5%0.6%Cr范圍的馬氏體型非調(diào)質(zhì)鋼因具有低碳板條馬氏體組織和少量以薄膜形式 存在的殘余奧氏體 , 在具有 b >1380MPa 高強度的 同時 , 仍保持 5>12%的良好塑性 。(2鋼中殘余奧氏體的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性很高 。 參考文獻(xiàn) :1董成瑞 , 任海鵬 , 金同哲 , 等 . 微合金非調(diào)質(zhì)鋼 M. 北京 :冶金 工業(yè)出版社 , 2000. 5-10.2Wright P H . Microallo

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