本科生畢業(yè)論文—微合金貝氏體鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶實(shí)驗(yàn)研究

1、摘要本文敘述了貝氏體鋼的最新發(fā)展、應(yīng)用狀況及發(fā)展前景，并在Gleeble1500D熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)定微合金貝氏體鋼在不同變形量（55，70，85）、不同變形溫度（850，900，950，1050，1150）及不同變形速率（s-1，s-1，1s-1，10s-1）下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，得到影響規(guī)律，觀察變形后的組織；計(jì)算貝氏體鋼的熱變形激活能；并根據(jù)合金元素作用對(duì)比貝氏體鋼(KB250)與珠光體鋼(U75V)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的程度。此外，根據(jù)包鋼軌梁廠的現(xiàn)場(chǎng)工藝，進(jìn)行了六道次模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了不同變形溫度，間隙時(shí)間和壓下量的影響，確定了優(yōu)化工藝，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。結(jié)果表明：在變

2、形量為70，變形速率為s-1的條件下，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象的臨界溫度在850左右。當(dāng)溫度為850，速率在1s-1以上時(shí)未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，速率在-1以下時(shí)發(fā)生部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象；當(dāng)溫度為950、1050、1150時(shí)，速率在1s-1以上時(shí)均未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，速率在-1以下時(shí)發(fā)生明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象；分別觀察變形量為55、70、85的再結(jié)晶曲線，得到隨著變形量的增大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶愈來愈明顯。利用Arrhenius雙曲正弦函數(shù)計(jì)算貝氏體鋼的熱變形激活能Q為。比較貝氏體鋼（KB250）與珠光體鋼（U75V）的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線看出，貝氏體鋼較珠光體鋼更延遲發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，這是由于貝氏體鋼中含有的大

3、量Mn、Cr、Ni等合金元素延遲動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。多道次軋制模擬試驗(yàn)確定最終的優(yōu)化工藝是：六道次變形溫度為1000-990-980-850-830-810，間隔時(shí)間為3s-3s-10s-4s-4s，最后一道次將變形量由原來的21增加到35。關(guān)鍵字：貝氏體鋼；熱模擬；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；激活能；優(yōu)化工藝Microalloyedbainitic steel experimental study of dynamic recrystallizationAbstractThis paper describes the latest development of bainitic steel,application

4、status and prospects,and in the Gleeble-1500D thermal simulation testing machine measured microalloyed bainitic steel at different deformation (55%,70%,85%),the different deformation temperature (850,900,950,1050,1150) and different strain rate (0.01s-1,0.1s-1,1s-1,10s-1) stress - strain curve of th

5、e dynamic recrystallization, we obtained the law, observe the deformation of the organization; calculation of bainitic steel hot deformation activation energy; and in accordance with the role of alloying elements compared with the pearlitic steel(KB250) and Bainite Steel(U75V) the extent of dynamic

6、recrystallization. In addition, according to the package plant on-site rail beam technology, simulation experiments carried out six times, compared to a different deformation temperature, the amount of space and time pressure influence the optimization process to determine, to provide experimental b

7、asis for on-site production.The results showed that: 70% in the deformation strain rate of 0.01s-1 under the conditions, resulting in the phenomenon of dynamic recrystallization critical temperature of about 850. When the temperature is 850, rate of 1s-1 in the above phenomenon of dynamic recrystall

8、ization did not occur, the rate is below the 0.1s-1 partial dynamic recrystallization; when the temperature is 950,1050,1150, the rate in the 1s-1 above the dynamic recrystallization did not occur, the rate at 0.1s-1 below the apparent dynamic recrystallization; deformation were observed in 55%, 70%

9、, 85% of the recrystallization curve, with the deformation Volume increases, more and more apparent dynamic recrystallization.steel(U75V)and bainite Steel(KB250) true stress - true strain curve shows that bainitic steel is more delayed than the pearlitic steel dynamic recrystallization phenomenon is

10、 due to a large number of bainitic steels containing Mn, Cr , Ni and other alloying elements delay dynamic recrystallization.Multi-pass rolling simulation test to determine the final optimization process is: six times the deformation temperature is 1000-990-980-850-830-810, the interval time of 3s-3

11、s-10s-4s-4s, last time the deformation from 21% to 35%.Key words:Bainitic steel; thermal simulation; dynamic recrystallization; activation energy; optimization process目 錄摘要IAbstractII1文獻(xiàn)綜述1貝氏體鋼的基本概況1貝氏體鋼的研究與發(fā)展1貝氏體鋼的特點(diǎn)5貝氏體與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶理論基礎(chǔ)6貝氏體理論研究6合金貝氏體鋼中元素的作用10動(dòng)態(tài)再結(jié)晶研究理論基礎(chǔ)10低碳貝氏體鋼國際研究現(xiàn)狀12低碳貝氏體鋼國內(nèi)研究現(xiàn)狀13研究目的與

12、內(nèi)容15目的15內(nèi)容152 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容16實(shí)驗(yàn)?zāi)康?6實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備16實(shí)驗(yàn)材料與成分16主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介17實(shí)驗(yàn)方案17不同變形參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響17多道次實(shí)驗(yàn)方案19磨樣拋光19腐蝕與拍照203實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析21變形參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響研究21變形溫度對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響21變形速率對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響22變形量對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響27小結(jié)28熱變形激活能計(jì)算29貝氏體鋼和珠光體鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶對(duì)比研究31多道次模擬研究現(xiàn)場(chǎng)工藝35實(shí)驗(yàn)背景35多道次軋制過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的條件36實(shí)驗(yàn)方案37真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線分析374結(jié)論42參考文獻(xiàn)43致謝451文獻(xiàn)綜述貝氏體鋼的基本概況.1貝氏體鋼的研究

13、與發(fā)展自從20世紀(jì)30年代Bain和Davenport發(fā)現(xiàn)鋼中存在貝氏體以來，貝氏體得到了深入的研究，人們對(duì)貝氏體相變機(jī)制的認(rèn)識(shí)也在不斷地深入。但由于貝氏體轉(zhuǎn)變的復(fù)雜性和實(shí)驗(yàn)手段的限制等原因，當(dāng)前貝氏體相變學(xué)仍然存在分歧。貝氏體組織形態(tài)復(fù)雜多樣，上貝氏體、下貝氏、逆貝氏體和柱狀貝氏體是各學(xué)派共同承認(rèn)的貝氏體組織。20世紀(jì)50年代，英國人PBPickering等發(fā)明了Mo-B系空冷貝氏體鋼，之后高強(qiáng)韌貝氏體鋼的研究得到了廣泛的重視。目前我國在貝氏體鋼技術(shù)上已經(jīng)處于國際先進(jìn)水平，柯竣等在貝氏體相變理論和貝氏體鋼研究方面作出了貢獻(xiàn)。由于貝氏體本身具有良好的強(qiáng)度和韌性，貝氏體鋼也具有了優(yōu)異的綜合力學(xué)性

14、能，這促進(jìn)了貝氏體鋼的研究、開發(fā)和應(yīng)用。貝氏體鋼是21世紀(jì)鋼鐵材料中的奇葩，正朝著低碳、超低碳、超細(xì)晶和高強(qiáng)度方向發(fā)展1。等溫處理獲得貝氏體鋼鐵材料是鋼鐵冶金領(lǐng)域的重大成就之一。然而等溫淬火工藝及設(shè)備復(fù)雜、能源消耗大、產(chǎn)品成本高、淬火介質(zhì)污染環(huán)境、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等,致使貝氏體鋼鐵材料在工程上的推廣應(yīng)用受到限制。但低溫下長(zhǎng)時(shí)間等溫處理可獲得超強(qiáng)低溫貝氏體，是發(fā)展超級(jí)鋼、納米鋼鐵材料的方向之一。為了克服等溫處理的缺點(diǎn)，材料工作者采用鑄后空冷的方法制備了Mo-B系貝氏體鋼，但為了獲得較多的貝氏體必須加入銅、鉬、鎳等貴重合金，這不但成本高，而且韌性也較差。清華大學(xué)開發(fā)的Mn-B系貝氏體鋼和康沫狂等開發(fā)的準(zhǔn)

15、貝氏體鋼彌補(bǔ)了Mo-B系貝氏體鋼的缺點(diǎn)，成為近年來貝氏體鋼發(fā)展的主要方向。最近，國內(nèi)又研究了正火貝氏體鋼。控制冷卻原是鋼材控制軋制工藝過程中的概念，近年來發(fā)展成為一種高效、節(jié)能的熱處理方法，熱處理時(shí)通過控制冷卻可獲得所設(shè)計(jì)的組織，提高鋼的性能。20世紀(jì)60年代中國對(duì)鋼的控軋控冷研究證明，控制冷卻在鋼化學(xué)成分適宜時(shí)會(huì)促進(jìn)強(qiáng)韌的低碳貝氏體形成?？刂评鋮s常用的方式有壓力噴射冷卻、層流冷卻、水幕冷卻、霧化冷卻、噴淋冷卻、板湍流冷卻、水氣噴霧冷卻和直接淬火等8種。它們各有優(yōu)勢(shì)，根據(jù)具體工藝環(huán)境和限定條件來確定。在一定意義上講，等溫淬火熱處理實(shí)際是控制冷卻的特例，因此，借鑒等溫淬火和控制熱處理的思想，通過

16、控制冷卻，在高溫區(qū)快冷避開珠光體轉(zhuǎn)變，在中溫區(qū)緩慢冷卻(保溫)，以一定手段如爐中恒溫在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)營(yíng)造一個(gè)準(zhǔn)等溫環(huán)境，實(shí)現(xiàn)鋼中貝氏體轉(zhuǎn)變。利用控軋和控冷相結(jié)合，馳豫過程可以充分細(xì)化組織，大幅度提高強(qiáng)度和韌性，從而制備出超細(xì)晶高強(qiáng)度貝氏體鋼。此加工工藝具有操作簡(jiǎn)單、成本低和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)貝氏體鋼加工工藝的發(fā)展方向。最近，舒信福等開發(fā)了準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵；等研究了連續(xù)冷卻制備高強(qiáng)度貝氏體鋼；等在低溫貝氏體研究基礎(chǔ)上研究了連續(xù)冷卻制備超高強(qiáng)度貝氏體鋼2。由于貝氏體鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，而且其成本相對(duì)較低和加工工藝簡(jiǎn)單，因此貝氏體鋼在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。準(zhǔn)貝氏體鋼具有高強(qiáng)、高韌

17、、可焊、耐磨等特點(diǎn)，可以作為一種超級(jí)高強(qiáng)鋼，具有重要的應(yīng)用前景。工程機(jī)械中不少易磨損的部件都有準(zhǔn)貝氏體鋼的應(yīng)用，如采煤機(jī)截齒、礦用圓環(huán)鏈、重型釬桿、高強(qiáng)度抽油桿等。目前國內(nèi)生產(chǎn)截齒鋼材多使用35CrMnNi、42CrMoA和55SiMnMo等，價(jià)格為5000-6000元/噸；進(jìn)口的Cr、Mn、Mo系列截齒用鋼材使用壽命雖高，但價(jià)格高出5-6倍；準(zhǔn)貝氏體鋼BZ-30價(jià)格和35CrMnNi相當(dāng)，但壽命提高2-倍，經(jīng)山西大同截齒機(jī)廠、湖北咸寧礦山機(jī)械廠使用后，反映效果良好。國外礦用圓環(huán)鏈都采用高強(qiáng)度低合金鋼，如日本的23MnCrNiMo、美國的SAE820、英國的BZ2722等。目前我國高強(qiáng)度圓環(huán)鏈

18、主要依賴進(jìn)口，準(zhǔn)貝氏體鋼制造的BZ-15L礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈，部分規(guī)格指標(biāo)已達(dá)到C級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)，用于取代進(jìn)口圓環(huán)鏈，并得到推廣。國內(nèi)液壓鑿巖機(jī)重型釬桿用鋼材一直使用的是18CrNi3MoA釬鋼，價(jià)格為13000元/噸，而湖北咸寧礦山機(jī)械廠制造的BZ-180準(zhǔn)貝氏體鋼釬桿用于三峽工程液壓鑿巖機(jī)，其價(jià)格為6000元/噸，性能指標(biāo)達(dá)到18CrNi3MoA釬鋼標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)貝氏體鋼BZ-11制造H級(jí)抽油桿熱處理工藝簡(jiǎn)單，力學(xué)性能達(dá)標(biāo)，目前應(yīng)用良好3。貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼是20世紀(jì)70年代首先由德國森特鋼鐵公司開發(fā)成功的，是在中低碳鋼中添加廉價(jià)經(jīng)濟(jì)性微合金元素，由于低碳貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼具有較高的綜合性能，尤其在低溫下具有

19、較高的韌性，因而在機(jī)械、汽車等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。提高非調(diào)質(zhì)鋼韌性的途徑是：（1）在傳統(tǒng)的鐵素體-珠光體基體上改變其化學(xué)成分和組織狀態(tài)；（2）改變其基體組織。其中，開發(fā)以貝氏體為基體組織、具有良好強(qiáng)韌性的低碳含V、B以及較高M(jìn)n的微合金化非調(diào)質(zhì)鋼即是一條主要途徑。由于低碳貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼既具有高的強(qiáng)度，又具有良好的韌性，特別是在低溫狀態(tài)下仍具有較高的韌性，因而可用于制作汽車前梁等。日本東京鋼公司研制了低碳含釩貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼，該鋼鍛后空冷得到以貝氏體為主及少量鐵素體和珠光體的顯微組織，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到8001000MPa，室溫沖擊韌度為50J/cm2，且-40仍高達(dá)40J/cm2。日本新日鐵公司在貝

20、氏體非調(diào)質(zhì)鋼的研究開發(fā)中多添加了微合金化元素，使這類鋼在很寬的冷卻速度范圍內(nèi)也可獲得貝氏體組織，鍛后冷卻速度越快，強(qiáng)度越高，而塑韌性基本穩(wěn)定；冷卻速度慢，可獲得更好的低溫性能，適合于要求強(qiáng)度高、韌性好的汽車行走系部件。用攀枝花鋼鐵公司與清華大學(xué)、二汽合作開發(fā)的貝氏體微合金非調(diào)質(zhì)鋼12Mn2VB代替45調(diào)質(zhì)鋼制造汽車前軸，效果良好。最近李智等研究了控軋控冷微合金低碳貝氏體非調(diào)制鋼。大量的工程應(yīng)用實(shí)踐表明，貝氏體及貝氏體復(fù)相組織具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，在開發(fā)超高強(qiáng)度貝氏體鋼方面的研究主要是在獲得貝氏體及貝氏體復(fù)相組織的基礎(chǔ)上通過晶粒細(xì)化以及彌散強(qiáng)化等措施來獲得高強(qiáng)度。對(duì)Si-Mn-Mo系貝氏體鋼在

21、890奧氏體化空冷后進(jìn)行不同溫度的回火處理，得到了b800MPa的超高強(qiáng)度鋼?？的竦仍跍?zhǔn)貝氏體鋼的研究中采用低溫回火熱處理，可以獲得b1600MPa的超高強(qiáng)度，用于制作級(jí)鋼筋、彈簧等超高強(qiáng)度構(gòu)件。F G Caballello等設(shè)計(jì)了Fe-2Si-3Mn和Fe-2Si-4Ni兩種成分的高強(qiáng)度貝氏體鋼。研究發(fā)現(xiàn),Fe-2Si-3Mn貝氏體鋼表現(xiàn)出良好的斷裂韌度(KIC=160MPa×m1/2)，強(qiáng)度可以達(dá)到1375-1440MPa，而增加碳含量，即Fe-2S-4Ni成分的貝氏體鋼強(qiáng)度可達(dá)1500-1840MPa，雖然其斷裂韌度稍低,但仍然高于高強(qiáng)度馬氏體鋼，這兩種鋼均需回火處理。礦山破

22、碎、研磨和礦粉輸送等過程中需要消耗大量的耐磨材料。清華大學(xué)在Mn-B系列貝氏體耐磨鋼的開發(fā)與應(yīng)用方面做了大量工作。用普通元素錳和微量硼進(jìn)行合金化，通過控制空冷條件自硬獲得的貝氏體鋼球在具有整體硬度高的同時(shí)，還具有高韌性和低破碎率等優(yōu)良性能。截齒用鋼不僅免去了淬火處理，而且截齒柄桿強(qiáng)韌性高，刀頭硬度50HRC，不易磨損；中低碳(0.3%C)SiMnCr鋼離心鑄管，其組織以貝氏體為主，并復(fù)合有回火馬氏體及少量殘余奧氏體，具有致密程度高、組織細(xì)化等優(yōu)點(diǎn)，在硬度高達(dá)45HRC時(shí)，還具有較優(yōu)良的韌性，k40J/cm2。該離心鑄管現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好，其使用壽命較原用材料16Mn提高2倍。準(zhǔn)貝氏體鋼也大量用于

23、耐磨材料。管線鋼的需求促進(jìn)了高強(qiáng)韌性、耐低溫且易焊接的超低碳貝氏體(ULCB)鋼的發(fā)展。McEvily于1967年研制出采用Mn、Mo、Ni、Nb合金化的ULCB鋼，經(jīng)熱機(jī)械控制(TMCP)處理后，屈服強(qiáng)度達(dá)到700MPa，且具有良好的低溫韌性和焊接性能。低碳微合金化控軋貝氏體鋼研制成功后，受到工程界的注意，逐步得以推廣應(yīng)用,并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了超低碳的控軋貝氏體鋼。日本鋼鐵公司研制了X70和X80超低碳控軋貝氏體鋼，其屈服強(qiáng)度高500MPa，脆性轉(zhuǎn)變溫度(FATT)<-80，它既可以作為低溫管線鋼，也可作為艦艇系列用鋼。DeArdo等開發(fā)出ULCB2100型超低碳貝氏體中厚鋼板，通過控軋

24、控冷處理和高度合金化實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化與位錯(cuò)強(qiáng)化的綜合作用。該鋼以80%累積變形量進(jìn)行精軋并隨后空冷，其屈服強(qiáng)度可高達(dá)700MPa，且FATT可提高到-50。但該類鋼的Ni、Mo含量較高，含碳量低于0.03%，因此需要進(jìn)行爐外精煉工藝處理，同時(shí)還對(duì)TMCP工藝設(shè)備提出了較高要求。目前，我國許多鋼板生產(chǎn)廠尚不具備這些高強(qiáng)韌性鋼生產(chǎn)所需的爐外精煉、控軋控冷及淬回火條件。清華大學(xué)利用廉價(jià)的普通元素對(duì)低碳貝氏體鋼進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M織與合金設(shè)計(jì)，在普通條件下生產(chǎn)出仿晶界型鐵素體-粒狀貝氏體復(fù)相鋼。它以Mn、Cr作為主要合金元素，加入適量Si以抑制碳化物的形成，增強(qiáng)殘余奧氏體的穩(wěn)定性，提高鋼的回火抗力。在

25、連續(xù)空冷過程中先形成一定量晶粒尺寸較小的仿晶界型鐵素體作為韌化相，富碳過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成粒狀貝氏體，進(jìn)而得到高韌性的仿晶界型鐵素體-粒狀貝氏體復(fù)相組織。經(jīng)生產(chǎn)試驗(yàn)表明，該鋼的強(qiáng)韌性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度為850MPa，屈服強(qiáng)度為540MPa，沖擊韌度(-40)k=34J/cm2，與同類鋼相比，其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。在鐵路向高速、重載、無縫發(fā)展的過程中，提高鐵路鋼軌的綜合力學(xué)性能起著越來越重要的作用。目前鋼軌主要采用高碳珠光體鋼，道叉采用高錳鋼。為進(jìn)一步提高耐磨性，人們開始研究貝氏體鋼軌，初步試驗(yàn)已顯示其優(yōu)越性。20世紀(jì)90年代，國外對(duì)貝氏體鋼在鐵路行業(yè)中的應(yīng)用開展了一系列研究，主要集中在鋼軌、道岔

26、和車輪方面，英國鋼鐵公司設(shè)計(jì)的貝氏體鋼軌已進(jìn)行應(yīng)用。我國研究工作目前正處于起步階段，清華大學(xué)、北京交通大學(xué)和鐵道部科學(xué)研究院等相繼對(duì)此進(jìn)行了研究4,5。貝氏體鋼的特點(diǎn)貝氏體鋼是一種熱加工后空冷所得組織為貝氏體或貝氏體-馬氏體復(fù)相組織的鋼類。它的主要優(yōu)點(diǎn)概括如下：(1)熱成型后空冷自硬，可免除傳統(tǒng)的淬火或淬火回火工序。從而節(jié)約大量的熱處理費(fèi)用，與熱加工工藝結(jié)合，將大幅度降低成本。(2)大量節(jié)約能源。(3)免除淬火過程產(chǎn)生的變形、開裂、氧化和脫碳等缺陷。(4)產(chǎn)品整體硬化，強(qiáng)韌性好，綜合力學(xué)性能優(yōu)良。(5)使用上量大面廣。(6)減少環(huán)境污染。(7)部分產(chǎn)品可將冶金生產(chǎn)與機(jī)械生產(chǎn)的工藝流程合并，實(shí)現(xiàn)

27、全工序“超短生產(chǎn)流程”。鋼廠直接出產(chǎn)品，效益附加值更高，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。貝氏體鋼以其性能價(jià)格比方面具有的明顯優(yōu)勢(shì)，使其應(yīng)用前景十分廣闊。貝氏體鋼是21世紀(jì)的新一代鋼種，它的不斷開發(fā)與應(yīng)用，正逐步引起鋼鐵業(yè)和機(jī)械加工制造業(yè)工藝流程的變革，對(duì)推動(dòng)相關(guān)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步將起到重要作用。低碳或超低碳、微合金、超細(xì)晶、高強(qiáng)度和高潔凈度貝氏體鋼是研究的主要方向。國外低碳貝氏體鋼以美國和加拿大為代表的Fe2Cu2Nb2B系列和以日本為代表的Fe2Mn2Nb2B系列，而且在超高強(qiáng)度貝氏體鋼的研究方面他們處于領(lǐng)先地位。日本和韓國相繼啟動(dòng)了21世紀(jì)高性能結(jié)構(gòu)鋼(超級(jí)鋼鐵材料)的國家項(xiàng)目。國內(nèi)低碳或超低碳、微合

28、金、超細(xì)晶、高強(qiáng)度和高潔凈度貝氏體鋼已經(jīng)列入我國第一批重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目之一。北京鋼鐵研究總院、中科院金屬研究所、北京科技大學(xué)、寶鋼和首鋼等單位已經(jīng)取得了一定成果。目前貝氏體鋼的研究仍處于貝氏體相變機(jī)理研究與貝氏體鋼的開發(fā)與推廣應(yīng)用階段6,7。目前貝氏體鋼的研究仍處于貝氏體相變機(jī)理研究與貝氏體鋼的開發(fā)與推廣應(yīng)用階段，因此今后需加強(qiáng)以下研究工作:(1)控制鋼中貝氏體組織的形態(tài)。鋼中貝氏體組織形態(tài)決定鋼的性能。合理控制鋼中貝氏體組織形態(tài)，細(xì)化貝氏體組織，控制鋼中復(fù)相組織，開發(fā)高強(qiáng)韌貝氏體鋼、超級(jí)鋼、納米鋼鐵材料。除內(nèi)在因素諸如鋼的化學(xué)成分和母相組織外，后續(xù)的加工工藝起著決定作用。從低合金高強(qiáng)度鋼的發(fā)

29、展趨勢(shì)來看，開發(fā)研制控軋貝氏體鋼是十分必要的。控軋控冷貝氏體鋼勿需熱處理工序，節(jié)能，節(jié)省合金資源，因此生產(chǎn)成本低，而且控軋控冷在馳豫過程中可以充分細(xì)化組織，大幅度提高強(qiáng)度和韌性，具有廣闊的應(yīng)用前景。低溫等溫處理是制備納米貝氏體鋼的一條途徑。(2)開發(fā)貝氏體鋼新品種。除對(duì)現(xiàn)有貝氏體鋼的生產(chǎn)工藝進(jìn)行完善與優(yōu)化外，還應(yīng)不斷開發(fā)新的貝氏體鋼品種，擴(kuò)大貝氏體鋼產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。貝氏體鋼在模具用鋼、耐磨耐沖擊鋼、工程構(gòu)件用鋼等領(lǐng)域的開發(fā)研究將進(jìn)一步深入，同時(shí)還要研究開發(fā)貝氏體鋼在彈簧、建筑用高強(qiáng)度鋼筋、齒輪、標(biāo)準(zhǔn)件和機(jī)械等的使用。貝氏體與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶理論基礎(chǔ)貝氏體理論研究貝氏體一般是由鐵素體和碳化物所構(gòu)成的非

30、層狀組織，它是過冷奧氏體在中溫區(qū)域等溫或連續(xù)冷卻條件下分解后的產(chǎn)物。由于用等溫處理獲得貝氏體組織的熱處理工藝已廣泛應(yīng)用，以及高強(qiáng)度貝氏體鋼的發(fā)展，因而研究貝氏體的組織形態(tài)和形成規(guī)律有著重要的意義。貝氏體組織形態(tài)：（1）針狀貝氏體，又分為上貝氏體和下貝氏體（2）粒狀貝氏體（3）無碳化物貝氏體（4）其他，如柱狀貝氏體，反向貝氏體但從工程技術(shù)應(yīng)用來看，大多數(shù)鋼中的貝氏體屬于兩種典型的形態(tài)，即上貝氏體和下貝氏體8,9。上貝氏體是由大致平行排列的板條狀鐵素體以及中間分布著斷斷續(xù)續(xù)的細(xì)桿狀滲碳體所組成，滲碳體分布的方向大致上與鐵素體板條的長(zhǎng)軸相平行。在光學(xué)顯微鏡下，上貝氏體呈羽毛狀，有的只是單邊平行呈梳狀

31、。在放大倍率較低時(shí)，上貝氏體中的鐵素體和滲碳體的形態(tài)及分布狀況一般不易辨認(rèn)，尤其是滲碳體更難于看出。試樣雙磨面金相檢驗(yàn)表明，上貝氏體中的鐵素體是板條狀的或針狀的。在一般情況下，在上貝氏體的形成溫度范圍，隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低以及碳含量的增加，只會(huì)使上貝氏體中的鐵素體板條更薄、更密集，而不改變上貝氏體的基本形態(tài)；鋼中碳含量的增加，只會(huì)影響碳化物的量，而不影響碳化物的分布。另外，上貝氏體中，滲碳體之間距主要由鐵素體板條的尺寸所決定。圖1.1上貝氏體組織下貝氏體是鐵素體和碳化物所組成的兩相組織，在光學(xué)顯微鏡下，典型的下貝氏體呈針狀，且較易腐蝕，下貝氏體容易侵蝕呈黑色，類似回火馬氏體，試樣雙磨面金相分析表

32、明，下貝氏體的立方形態(tài)為凸透鏡狀，而不是針狀或條狀。圖1.2下貝氏體組織下貝氏體的組織形態(tài)與上貝氏體有明顯不同，主要是：下貝氏體中的鐵素體大多為片狀（或針狀）；而板條狀的較少。在下貝氏體形成過程中，由于沒有上貝氏體那種成排的相互激發(fā)而產(chǎn)生和應(yīng)成核的作用，因而出現(xiàn)一束束平行的鐵素體的情況也較少。盡管下貝氏體也優(yōu)先在奧氏體晶界上成核，但大量的下貝氏體還是在奧氏體晶內(nèi)形成。下貝氏體在形成過程中呈現(xiàn)出單一的傾斜浮凸，而上貝氏體的浮凸則是多棱的。下貝氏體中的碳化物最初形成的大多是碳化物，而上貝氏體中大部分為滲碳體。這種碳化物隨著保溫時(shí)間的增長(zhǎng)或經(jīng)回火，則可變?yōu)樘蓟?。下貝氏體的形態(tài)很像高碳的回火馬氏體，

33、甚至在光學(xué)顯微鏡下很難辨認(rèn)。此外，在下貝氏體中則沒有觀察到欒晶，而在高碳馬氏體中經(jīng)常見到。據(jù)認(rèn)為這些都可能使下貝氏體獲得強(qiáng)度與韌性良好的結(jié)合。粒狀貝氏體是五十年代后期確定的。這種貝氏體是由塊狀鐵素體和富碳奧氏體區(qū)所組成。由于富碳奧氏體區(qū)一般呈顆粒狀，因而得名。這種富碳奧氏體區(qū)，可能呈孤立的小島狀，也可能呈小河狀，一般形狀很不規(guī)則；它既可能分布于鐵素體晶粒內(nèi)，也可能分布于鐵素體晶界上。這些島狀?yuàn)W氏體由于碳及其它元素間內(nèi)部擴(kuò)散而使其穩(wěn)定化，最后可能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、鐵素體或滲碳體的混合物。圖1.3 粒狀貝氏體組織觀察表明，鐵素體基體上分布著白亮的浮凸小塊（即小島），小島的分布較復(fù)雜，起初是富碳的奧氏體

34、，在隨后的冷卻過程中，可能分解（或部分分解）為鐵素體與滲碳體，也可能轉(zhuǎn)變（或部分轉(zhuǎn)變）為馬氏體，或者馬氏體和奧氏體；在低碳合金鋼中的小島大多是馬氏體和奧氏體。粒狀貝氏體起初是在一些低碳鋼或中、低碳合金鋼中發(fā)現(xiàn)的，尤其在一定冷卻速度的連續(xù)冷卻條件下，如正火、熱軋空冷或焊接熱影響區(qū)容易形成。形成溫度大致在上貝氏體形成溫度區(qū)域的上部；較快的冷卻速度或較低的轉(zhuǎn)變溫度都不適于粒狀貝氏體的形成。無碳貝氏體是僅由鐵素體所組成的單相組織。在一些含碳較低的鋼中，當(dāng)貝氏體的數(shù)量不多或稍低于貝氏體的形成溫度Bs點(diǎn)時(shí)，可形成幾乎不含碳化物的、按共格關(guān)系長(zhǎng)大的鐵素體，這種組織稱之為無碳化物貝氏體。這種無碳化物貝氏體大多

35、開始于奧氏體晶界形成一束平行的片，每個(gè)片較寬，片間距較大。除了有呈條狀的鐵素體外，也有呈“小島”狀的，還有的則可能為桿狀鐵素體的切面。這種無碳化物貝氏體很難成為鋼中單獨(dú)得以存在的組織形態(tài)，因?yàn)殡S轉(zhuǎn)變過程的進(jìn)行，那些片間富碳奧氏體區(qū)，最終要析出碳化物。所以，最后不是轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，就是轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w。當(dāng)轉(zhuǎn)變不完全時(shí)，冷卻下來則部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。若鋼中合金元素高時(shí)，在室溫下能保留一些穩(wěn)定的奧氏體10,11。1.2.2合金貝氏體鋼中元素的作用微合金化是指在基本化學(xué)成分中添加微量（不大于%的）的合金元素，從而使鋼鐵材料的一種或幾種性能具有明顯提高的工藝技術(shù)，經(jīng)過此法處理的貝氏體鋼稱為微合金貝氏體鋼。低碳

36、微合金貝氏體鋼是近20年來發(fā)展起來的新鋼種，具有良好的強(qiáng)韌性，焊接性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制造領(lǐng)域。低碳貝氏體鋼是以鉬鋼或鉬硼鋼為基礎(chǔ)，同時(shí)加入錳，鉻，鎳以及其他微合金元素（鈮，鈦，釩），從而開發(fā)出一系列低碳貝氏體鋼種。低碳貝氏體鋼種的研究將成為發(fā)展屈服強(qiáng)度為450-800Mpa級(jí)別鋼種的主要途徑。低碳貝氏體鋼中主要添加的合金元素機(jī)器作用如下：碳元素是強(qiáng)間隙固溶強(qiáng)化元素，可提高強(qiáng)度，但不能依靠其提高強(qiáng)度。盡量降低含碳量，即保持一定的韌性，也為了獲得良好的焊接性。鉬元素能夠使鋼在空冷條件下獲得貝氏體組織。鉬元素使鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線中的鐵素體析出出現(xiàn)明顯右移，但不明顯推移貝氏體轉(zhuǎn)變，所以過冷奧

37、氏體得以直接向貝氏體轉(zhuǎn)變，而在此前沒有或者只有部分先共析體鐵素體析出，這樣也就不再發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。利用微量硼元素，使鋼的淬透性明顯增加。鉬硼負(fù)荷作用使過冷奧氏體向鐵素體的等溫轉(zhuǎn)變曲線進(jìn)一步右移，使貝氏體轉(zhuǎn)變開始線明顯突出。硅元素是固溶強(qiáng)化元素，使貝氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在更低的溫度，并使貝氏體轉(zhuǎn)變C曲線右移。加入其它能夠增大鋼過冷能力的元素，如錳，鉻，鎳等，以進(jìn)一步增大鋼的淬透性，促使貝氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在更低的溫度，目的是下貝氏體組織，增加其強(qiáng)度。加入強(qiáng)碳化物形成元素，即微合金化，以保證進(jìn)一步細(xì)化晶粒，同時(shí)，微合金化也可以產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化效果12,13。1.2.3動(dòng)態(tài)再結(jié)晶研究理論基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是指金屬在熱變形

38、過程中發(fā)生的再結(jié)晶現(xiàn)象。而靜態(tài)再結(jié)晶是指冷變形金屬在再結(jié)晶溫度以上退火時(shí)，由新的無畸變的晶粒取代變形晶粒的過程。再結(jié)晶不是相變過程，它只有組織變化而沒有晶體結(jié)構(gòu)的變化。與熱變形各道次之間以及變形完畢后加熱和冷卻時(shí)所發(fā)生的靜態(tài)再結(jié)晶相比，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的特點(diǎn)是：動(dòng)態(tài)再結(jié)晶要達(dá)到臨界變形量和在較高的變形溫度下才能發(fā)生；與靜態(tài)再結(jié)晶相似，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶易在晶界及亞晶界形核；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)再結(jié)晶時(shí)無需孕育期；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的時(shí)間隨溫度升高而縮短14。穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)圖1.4發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的兩種真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的特征是在高應(yīng)變速率的情況下，應(yīng)力隨應(yīng)變不斷增加，直至達(dá)到峰值后又

39、隨應(yīng)變下降，最后達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。由此可見，在峰值之前，加工硬化占主導(dǎo)地位，在金屬之中只發(fā)生部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，硬化程度大于軟化程度。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到極大值之后，隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的加快，軟化作用開始大于硬化作用，于是曲線下降。當(dāng)由變形造成的硬化與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所造成的軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，曲線進(jìn)入穩(wěn)定態(tài)階段。在低應(yīng)變速率下，與其對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定態(tài)階段的曲線呈波浪形變化，這是由于反復(fù)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶-變形-動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，即交替進(jìn)行軟化-硬化-軟化而造成的。在熱變形過程中，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶也是通過形核與長(zhǎng)大完成的。其形核方式與應(yīng)變速率及由此引起的位錯(cuò)組態(tài)變化有關(guān)。當(dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶主要是通過原晶界的弓出機(jī)制形核。應(yīng)力-應(yīng)變曲線

40、中，穩(wěn)定流變出現(xiàn)周期性波動(dòng)的原因是由于在低應(yīng)變速率熱變形過程中，位錯(cuò)度增大緩慢，尚不足以使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶全面發(fā)生和引起明顯軟化，故取決于加工硬化而使曲線呈下降波動(dòng)。此后這種過程不斷重復(fù)并呈周期性變化，其振幅逐漸衰減。當(dāng)應(yīng)變速率較高時(shí)，由于位錯(cuò)纏結(jié)所構(gòu)成的細(xì)小亞晶，使晶界被釘扎的距離縮小，以至難以弓出方式形核，故主要通過亞晶合并的長(zhǎng)大方式進(jìn)行。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的條件是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶只能在一定條件下才能發(fā)生。用Z（溫度補(bǔ)償變形速率因子Z=exp(Q/RT)），因子來討論其發(fā)生的條件。當(dāng)Z一定時(shí)，隨著加工程度的增大，材料組織發(fā)生由動(dòng)態(tài)回復(fù)-部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶-完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的變化。反之，當(dāng)加工程度一定時(shí)，隨著Z的

41、變大，材料組織發(fā)生由完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶部分-部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶-動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的變化。也就是說，一定時(shí)在某一Z值以上得不到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織，這個(gè)Z值就為Z的上臨界值Zc。應(yīng)該指出，Zc值是隨加工程度而變的，愈大Zc愈大，即在較大的Z值下也能產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。因此動(dòng)態(tài)再結(jié)晶能否發(fā)生，要由Z和來決定。高溫加工金屬，由于是高溫環(huán)境，則在加工的同時(shí)不可避免地產(chǎn)生軟化過程，該過程為面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體再結(jié)晶；另一方面，如果是體心立方結(jié)構(gòu)，則恢復(fù)為主要過程。表示高溫變形時(shí)恢復(fù)或再結(jié)晶時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變（變形）的模式。其變形特性隨變形溫度和變形速度而發(fā)生很大變化。在再結(jié)晶型的變形中，變形應(yīng)力在應(yīng)變時(shí)達(dá)到峰值，隨后降低，在高應(yīng)變下

42、為常數(shù)。在正常變形中，加工硬化與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化相互平衡，變形應(yīng)力為一定值，該應(yīng)力隨加工程度和應(yīng)變速度而變化。如果按以下的應(yīng)變中斷變形并保持該溫度，則進(jìn)行靜態(tài)再結(jié)晶。該過程按潛伏期或恢復(fù)期產(chǎn)生再結(jié)晶核，通過再結(jié)晶晶界的移動(dòng)進(jìn)行再結(jié)晶的順序生長(zhǎng)。當(dāng)應(yīng)變小的時(shí)候僅進(jìn)行恢復(fù)階段。正常變形狀態(tài)在應(yīng)變以上，可觀察到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒內(nèi)的下部組織相對(duì)于軟化過程的各種形態(tài)。并且中斷變形從動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變到靜態(tài)再結(jié)晶時(shí)晶粒的成長(zhǎng)速度非?？臁?dòng)態(tài)再結(jié)晶后的晶粒直徑僅取決于變形溫度和應(yīng)變速度，不受加工前奧氏體晶粒大小、加工應(yīng)變量（但需要在以上）的影響。再結(jié)晶晶粒直徑可用經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的應(yīng)變速度Z來表示15,16。1

43、.2.4低碳貝氏體鋼國際研究現(xiàn)狀國外學(xué)者根據(jù)貝氏體相變理論對(duì)貝氏體鋼進(jìn)行了大量的研究，設(shè)計(jì)了不同成分的鋼種和生產(chǎn)工藝，形成了不同系列的貝氏體鋼，大大推動(dòng)了貝氏體鋼的發(fā)展及其應(yīng)用。日本東京鋼鐵公司研制了低碳含釩貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼，該鋼鍛后空冷得到一貝氏體為主及少量鐵素體和珠光體的顯微組織，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到8001000Mpa，室溫沖擊韌性為50J/cm2，而-40沖擊韌性仍高達(dá)40J/cm2，日本新日鐵公司在貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼的研究開發(fā)中多添加微合金化元素，這類鋼在很寬的冷卻速度范圍內(nèi)都可以獲得貝氏體組織，并可獲得更好的低溫性能，適合于強(qiáng)度高，韌性好的汽車行走系部件。低碳微合金化控軋控冷貝氏體鋼研制成功后

44、，受到工程界的注意，逐步得以推廣應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了超低碳的控軋控冷貝氏體鋼（ULCP鋼，含碳量小于%）。McEvily于1967年研制出采用Mn，Mo，Ni，Nb，合金化的ULCB鋼，經(jīng)過機(jī)械控制（TMCP）處理后，屈服強(qiáng)度達(dá)到700Mpa，且具有良好的低溫韌性和焊接性能。日本鋼鐵公司研制了X70和X80超低碳控軋貝氏體鋼，其屈服強(qiáng)度高于500Mpa，脆性轉(zhuǎn)變溫度（FATT）小于-80，它既可以作為低溫管線鋼，也可以作為艦艇系列用鋼。巴西學(xué)者通過模擬高強(qiáng)度低合金貝氏體鋼的控軋控冷工藝過程，研究了控軋控冷工藝參數(shù)對(duì)其微觀組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)軋制后冷卻速率與終軋溫度是主要的控制工藝參數(shù)。

45、波蘭學(xué)者研究了在熱軋，淬火及回火加工條件下超低碳貝氏體鋼的微觀組織與力學(xué)性能，研究表明，可以獲得屈服強(qiáng)度大于650Mpa，低溫沖擊性能為200J（213k）的應(yīng)用于造船，海上石油鉆采平臺(tái)，壓力容器及高性能結(jié)構(gòu)部件的超低碳貝氏體鋼板。近代工業(yè)發(fā)展對(duì)熱軋非調(diào)質(zhì)鋼板的性能要求越來越高，除了具有高強(qiáng)度外，還要具有良好的韌性，焊接性能及低的冷脆性。目前世界上許多國家都利用（超）低碳的控軋控冷貝氏體鋼生產(chǎn)高寒地區(qū)使用的輸油，輸氣管道用鋼板，低碳含鈮的低合金高強(qiáng)度鋼板，高韌性鋼板，以及造船板，橋梁鋼板，壓力容器鋼板等。低碳貝氏體鋼國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)高強(qiáng)度鋼的發(fā)展大約比國外落后數(shù)十年，目前我國鞍鋼，武鋼，舞鋼，

46、濟(jì)鋼和寶鋼等企業(yè)均生產(chǎn)過低碳貝氏體鋼板?？傮w上講，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)基本上是跟蹤國外的技術(shù)，采用與國外類似的合金化體系，技術(shù)上主要采用微合金化和控軋控冷技術(shù)。清華大學(xué)方洪生等在研究中發(fā)現(xiàn)，Mn在一定含量時(shí)，可使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線上存在明顯的上，下C曲線分離，發(fā)明了Mn2B系空冷貝氏體鋼，他突破了空冷貝氏體鋼必須加入Mo，W的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，研制出中高碳，中碳，中低碳，低碳Mn2B系列貝氏體鋼。西北工業(yè)大學(xué)康沫狂等通過多年的研究提出了由貝氏體鐵素體（即低碳馬氏體）和殘余奧氏體組成的準(zhǔn)（非典型或無碳化物）貝氏體，并成功研制了系列準(zhǔn)貝氏體鋼。與一般結(jié)構(gòu)鋼相比，新型準(zhǔn)貝氏體鋼具有更好的強(qiáng)韌性配合，其力學(xué)性

47、能超過了典型貝氏體鋼，調(diào)質(zhì)鋼和超高強(qiáng)度鋼。山東工業(yè)大學(xué)李風(fēng)旭等根據(jù)貝氏體相變?cè)?，通過合理控制成分和優(yōu)化冷卻制度，并運(yùn)用細(xì)晶強(qiáng)化，彌散強(qiáng)化等主要強(qiáng)韌性機(jī)制及其迭加效應(yīng)，采用微合金變質(zhì)處理，并開發(fā)了隱晶或細(xì)針狀貝氏體的高品質(zhì)貝氏體或高級(jí)貝氏體鋼。我國低碳貝氏體鋼的控軋控冷研究和應(yīng)用相對(duì)較晚，在20世紀(jì)80年代初才開始這方面的工作。武鋼于1999年開始試制板厚12-13mm，抗拉強(qiáng)度達(dá)到590Mpa，685Mpa級(jí)別的低（超低）碳貝氏體結(jié)構(gòu)板，產(chǎn)品采用鐵水預(yù)脫硫，RH真空處理工藝降低C含量，增添Mo2B2VNb等合金元素，且需熱處理。濟(jì)鋼研制開發(fā)了一種新型的貝氏體高強(qiáng)鋼，其特點(diǎn)是鋼中不加入昂貴的N

48、i，Mo，B等元素，而用少量普通元素V，Mn，Cr合金化，以低廉的合金成本代價(jià)就能使鋼板TMCP處理后空冷自硬，從而節(jié)約大量熱處理費(fèi)用，降低了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)難度。攀枝花鋼鐵公司與清華大學(xué)，二汽合作開發(fā)的貝氏體微合金非調(diào)質(zhì)鋼12Mn2VB代替45調(diào)質(zhì)鋼制造汽車前軸，效果良好。寶鋼研究了Mn2Mo2Nb2B系超低碳貝氏體鋼的鋼坯加熱，控制軋制，控制冷卻，時(shí)效處理諸因素與鋼力學(xué)性能的關(guān)系，生產(chǎn)了620Mpa，690Mpa，780Mpa等3個(gè)級(jí)別的鋼板。鞍鋼采用控軋控冷工藝試制了Hg590DB超低碳貝氏體鋼板。其終軋溫度為800-850，控制終軋溫度為590-630，獲得鐵素體和板條狀貝氏體組織，鋼板

49、抗拉強(qiáng)度達(dá)650-690Mpa，屈服強(qiáng)度達(dá)490-590Mpa，延伸率為20%，并具有良好的成形性能。實(shí)踐證明，采用合金化與控軋控冷工藝技術(shù)是生產(chǎn)強(qiáng)度高，韌性好，可焊接性優(yōu)良且成本低的貝氏體鋼板的最好辦法。國內(nèi)對(duì)低碳貝氏體鋼研發(fā)大部分停留在試驗(yàn)研究階段，只有個(gè)別廠家成功生產(chǎn)出性能優(yōu)良，成本低廉的低碳貝氏體鋼板。1.3研究目的與內(nèi)容目的高速、重載及高密度的運(yùn)輸方式是當(dāng)今工業(yè)鐵路的發(fā)展趨勢(shì)，這對(duì)鋼軌的性能提出了越來越高的要求，目前世界上新的高強(qiáng)鋼軌的研發(fā)重點(diǎn)主要集中在具有優(yōu)良強(qiáng)韌性的貝氏體鋼軌上，因而開發(fā)新型貝氏體鋼軌具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。進(jìn)入21世紀(jì)，工業(yè)鐵路的運(yùn)輸方式使鋼軌所處的服役條件日趨惡化

50、，這對(duì)鋼軌的性能也相應(yīng)提出了越來越高的要求。目前，國內(nèi)外鋼軌的用材基本上是珠光體鋼，提高其性能主要是通過熱處理手段，開發(fā)研制新一代鋼軌迫在眉睫，而盡快開發(fā)貝氏體鋼軌是鐵路鋼軌材料發(fā)展史的一次重大突破，也填補(bǔ)了我國高速重載鐵軌的空白。本研究以包鋼軌梁廠生產(chǎn)的貝氏體鋼軌為研究對(duì)象，所以本次實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究不同熱軋工藝對(duì)貝氏體鋼的影響。內(nèi)容為了研究更優(yōu)質(zhì)性能的貝氏體鋼，我們通過實(shí)驗(yàn)從熱軋工藝入手，研究熱軋工藝對(duì)貝氏體鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用Gleeble-1500D熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)定微合金貝氏體鋼不同變形量，不同變形溫度及不同變形速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并觀察變形后的顯微組織，研究微合金貝氏體鋼動(dòng)態(tài)再

51、結(jié)晶行為,為制定合理工藝提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)17,18。具體內(nèi)容如下：(1)測(cè)定貝氏體鋼在變形量為70、變形溫度分別為850、950、1050、1150下，變形速率分別為10s-1、1s-1、s-1、s-1的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。觀察其變形后的組織19,20。(2)測(cè)定貝氏體鋼在變形溫度為850，變形速率為10s-1的條件下，變形量分別為55、70、85的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。觀察其變形后的組織21。(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，計(jì)算熱變形激活能。(4)對(duì)比合金元素對(duì)貝氏體鋼與珠光體鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響。(5)根據(jù)包鋼軌梁廠現(xiàn)場(chǎng)工藝，制定多道次壓下實(shí)驗(yàn)，研究在不同變形溫度、間隙時(shí)間、變形量的條件下的影

52、響，確定優(yōu)化工藝，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)室Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)貝氏體鋼進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，分析其在不同加熱溫度、不同軋制變形量及不同變形速率的條件下對(duì)材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及顯微組織的影響。了解金相試樣的制備過程。初步掌握金相試樣制備、浸蝕的基本方法。實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)材料與成分實(shí)驗(yàn)材料為微合金低碳貝氏體鋼，規(guī)格為Ø6×12mm，其化學(xué)成分如表。表微合金低碳貝氏體鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量百分比，）元素種類含量碳（C）-硅（Si）-錳（Mn）-磷（P）硫（S）鉻（Cr）-鎳（Ni）-鉬（Mo）-鋁（Al）鉛（Pb）錫（Sn）砷（As）銻（Sb

53、）鉍（Bi）銅（Cu）<主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)：熱模擬試驗(yàn)機(jī)是動(dòng)態(tài)熱形模擬試驗(yàn)設(shè)備。它可以動(dòng)態(tài)地模擬金屬受熱及變形過程。其模擬功能較為齊全，應(yīng)用范圍廣泛；可以進(jìn)行包括軋制鍛壓工藝、連鑄冶煉工藝、焊接工藝、金屬熱處理工藝、機(jī)械熱疲勞等方面內(nèi)容在內(nèi)的動(dòng)態(tài)過程模擬試驗(yàn)，可以測(cè)定金屬高溫力學(xué)性能、金屬熱物性及CCT曲線、應(yīng)力應(yīng)變曲線等。為試驗(yàn)者制訂和改良其生產(chǎn)工藝提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。該設(shè)備采用計(jì)算機(jī)編程控制技術(shù)及液壓動(dòng)力控制技術(shù)，最大加熱速度10000/s，最大變形力20t，最大行程速度2000mm/s，最大變形速率500/s，最小道次變形間隔時(shí)間，具有模擬試驗(yàn)精

54、度高，重復(fù)性好等特點(diǎn)。能夠很好地滿足多種復(fù)雜工藝條件的模擬需求。實(shí)驗(yàn)方案不同變形參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響圖2.1 不同變形參數(shù)規(guī)程示意圖（1）不同變形溫度對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響將微合金貝氏體鋼試樣以10/S加熱到1200保溫3min，冷至不同溫度進(jìn)行70%壓縮變形，然后快速冷卻（水冷）后分析其應(yīng)力-應(yīng)變曲線，觀察其顯微組織，變形溫度分別為1150、1050、950、850。編號(hào)為1-16號(hào)。（2）不同變形速率對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響將微合金貝氏體鋼試樣以10/S加熱到1200保溫3min，冷至變形溫度以不同的變形速率進(jìn)行70%壓縮變形，然后快速冷卻（水冷）后分析其應(yīng)力-應(yīng)變曲線，觀察其顯微組織，變形速率分

55、別為s-1s-1、1s-1、10s-1。編號(hào)為1-16號(hào)。表2.2 不同變形溫度和變形速率的影響s-1s-11s-110s-1115010501號(hào)5號(hào)2號(hào)6號(hào)3號(hào)7號(hào)4號(hào)8號(hào)9509號(hào)10號(hào)11號(hào)12號(hào)85013號(hào)14號(hào)15號(hào)16號(hào)（3）不同軋制變形量對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響將微合金貝氏體鋼試樣以10/S加熱到1200保溫3min，冷至850進(jìn)行不同程度的壓縮變形，然后快速冷卻（水冷）后分析其應(yīng)力-應(yīng)變曲線，觀察其顯微組織，變形速率10s-1，變形量分別為55%、70%、85%。編號(hào)為1-3號(hào)。表2.3 不同軋制變形量的影響55%70%85%1號(hào)2號(hào)3號(hào)2.3.2多道次實(shí)驗(yàn)方案參照包鋼軌梁廠的現(xiàn)場(chǎng)工

56、藝進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)定為六道次壓下，具體實(shí)驗(yàn)方案如下表。表2.4 多道次壓下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（H0=11mm）H(mm)h(mm)V(m/s)T()t(s)(s-1)t(s)5410003099012122898031278803025860172184022由于根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，孔型（即壓下量）一般不改變，但基于理論研究，所以此次實(shí)驗(yàn)研究不同變形溫度（后三道）、間隙時(shí)間和壓下量影響。表2.5 多道次壓下實(shí)驗(yàn)方案溫度改變（）時(shí)間改變（t）1號(hào)1000-990-980-880-860-84012-31-30-17-222號(hào)1000-990-980-850-830-81012-31-30-17-223號(hào)1000-

57、990-980-880-860-8403-3-10-4-44號(hào)1000-990-980-850-830-8103-3-10-4-45號(hào)1000-990-980-850-830-8103-3-10-4-4（注：5號(hào)最后一道次壓下量為35）磨樣拋光拋光目的是去除試樣磨面上經(jīng)細(xì)磨留下的細(xì)微劃痕，使試樣磨面成為光亮無痕的鏡面。粗磨：一般材料可用砂輪機(jī)將試樣磨面磨平；軟材料可用銼銼平，磨時(shí)要用水冷卻，以防止試樣受熱改變組織。不需要檢查表層組織的試樣要倒角倒邊。細(xì)磨：目的是消除粗磨留下的劃痕，為下一步的拋光作準(zhǔn)備，細(xì)磨又分為手工細(xì)磨和機(jī)械細(xì)磨。手工細(xì)磨：選用不同粒度的金相砂紙（120、240、400、600、800、1000），由粗到細(xì)進(jìn)行磨制。磨