王 韌宋麗娜

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410208;2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128)

低碳鋼鐵素體顯微結(jié)構(gòu)研究

王 韌1、2宋麗娜1

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410208;2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128)

通過應(yīng)用金相和電子顯微分析，對含有微量非金屬夾雜物的含鈦低碳鋼在不同冷卻條件下的顯微組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鐵素體精細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)對鋼的機(jī)械性能有顯著影響。其中針狀鐵素體之間細(xì)小的馬氏體的存在與數(shù)量對鋼的抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊韌性起關(guān)鍵作用。

針狀鐵素體;互鎖特性;機(jī)械性能;馬氏體體積分?jǐn)?shù)

一、前言

針狀鐵素體顯微組織由板條鐵素體組合而來，而板條鐵素體的形成是通過非均勻形核和奧氏體晶內(nèi)相互激發(fā)形核。由于非均勻形核的多向性，使得長大的針狀鐵素體具有一種良好的互鎖特性，這種特征不僅能提高鋼的強(qiáng)度，而且能改善鋼的韌性。近年來針狀鐵素體顯微結(jié)構(gòu)在焊接材料的應(yīng)用以及將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于低碳鍛鋼代替形變熱處理得到廣泛研究1，2，3。但針狀鐵素體顯微結(jié)構(gòu)的許多研究主要針對針狀鐵素體的體積分?jǐn)?shù)對鋼的性能影響等方面，而針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變趨勢、鐵素體板條之間未轉(zhuǎn)變區(qū)域而后形成的馬氏體或鐵素體—碳化物聚集區(qū)對力學(xué)性能的影響被忽略4，5。本研究的目的就是要探討針狀鐵素體顯微組織中各種顯微相對力學(xué)性能的影響。

二、實驗材料及方法

用真空感應(yīng)爐熔煉兩組不同含碳含鈦量的鋼錠，鋼錠試樣的化學(xué)成份列于表1中，用1#、2#表示。鋼中加入Ti是為了形成彌散的Ti203顆粒，起非均勻形核作用。試樣在1250℃擴(kuò)散退火，熱軋成12mm鋼板，連續(xù)冷卻條件下奧氏體的分解用熱膨脹儀檢測。試樣的熱處理工藝如圖1所示(3種不同冷卻方式)，為獲得最大鐵素體體積分?jǐn)?shù)，試樣1和試樣2冷卻速度分別為4℃/s和1.5℃/s，等溫淬火保溫溫度為500℃ ～520℃。用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)對顯微組織進(jìn)行鑒定。用500g的維氏硬度計測量硬度。1#進(jìn)行拉伸和沖擊試驗，沖擊韌性試樣尺寸為10×10×55的夏氏標(biāo)準(zhǔn)試樣，在室溫和零下20℃分別進(jìn)行測定，室溫拉伸試樣尺寸為Ф10 ×100。

表1 試樣的化學(xué)成份%

圖1 試樣三種不同熱處理工藝

三、結(jié)果與討論

1.顯微組織

圖2表示試樣1和試樣2在1號工藝條件下的金相和SEM照片，由于碳具有穩(wěn)定奧氏體的作用，獲得最大針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)的最佳冷卻速度隨含碳量而改變。圖2b所示的一些多邊形鐵素體在奧氏體晶界形核，雖然用光學(xué)顯微鏡觀察二種試樣組織特征類似(如圖2 a b)，但用更高倍率的SEM觀察，就能清楚看到不同的顯微結(jié)構(gòu)，如圖2c顯示1號試樣有細(xì)小的馬氏體島和少量的鐵素體—碳化物聚集。而2號試樣中由于具有更高的含碳量，因而產(chǎn)生了較多的珠光體和鐵素體—碳化物聚集(見圖2d)。

圖2 試樣在1號工藝條件下的顯微組織(a c為1號試樣、b d為2號試樣)

圖3表明1號試樣分別用2號和3號工藝?yán)鋮s，即在500℃左右用快冷和等溫1小時后的SEM形貌，雖然光學(xué)顯微組織與1號工藝非常相似，但比較圖2c和圖3c，不難發(fā)現(xiàn)用2號工藝?yán)鋮s有更多的島狀馬氏體，而且比1號工藝的馬氏體更大。根據(jù)SEM形貌分析，在2號工藝條件下馬氏體面積約為13%，而1號工藝條件為3%左右。圖3a為1號試樣采用2號工藝所得到的光學(xué)顯微組織，難以看到鐵素體-碳化物聚集，圖3b是采用3號工藝得到的，以針狀鐵素體為主，類似其它二種工藝條件的光學(xué)顯微組織。圖3d是采用3號工藝條件得到的SEM像，沒有發(fā)現(xiàn)馬氏體，即在500℃左右進(jìn)行等溫，未轉(zhuǎn)變的奧氏體分解為針狀鐵素體和鐵素體--碳化物聚集。

圖3 試樣1在不同工藝條件下的顯微組織(a c為工藝2、b d為工藝3)

在2號工藝條件下，2號試樣的顯微組織如圖4(SEM像)，與1號試樣相比，2號試樣中馬氏體的量有所增加，如圖4a。這說明隨著碳含量的增加，奧氏體的分解速度降低。在2號試樣中同樣觀察到珠光體和鐵素體—碳化物聚集，但顯微結(jié)構(gòu)與1號試樣不同，可以認(rèn)為，在1.5C/s冷卻速度條件下，珠光體在較高溫度下形成，碳化物在較低溫度下析出。正如1號試樣冷至500οC左右等溫時未轉(zhuǎn)變的奧氏體進(jìn)一步分解成針狀鐵素體最終使鐵素體-碳化物聚集(圖4b)

圖4 2號試樣在工藝2和工藝3條件下的SEM像(a，b分別為2，3號工藝)

為了進(jìn)一步研究針狀鐵素體的精細(xì)結(jié)構(gòu)，采用透射電鏡(TEM)證實SEM所觀察到的各種顯微相。圖5a顯示了1號試樣用2號工藝?yán)鋮s時所形成的馬氏體組織具有細(xì)小的孿晶結(jié)構(gòu)，這被選擇性區(qū)域衍射予以證實(見圖5a中插圖)，其它試樣中的馬氏體島也如此。圖5b證實了1號試樣經(jīng)3號工藝處理所看到的鐵素體--碳化物的聚集，這種聚集體靠近殘留奧氏體而產(chǎn)生。這種孿晶馬氏體形態(tài)類似于一些在等溫轉(zhuǎn)變鋼中發(fā)現(xiàn)的變態(tài)珠光體2。

圖5 1試樣的TEM像a工藝2條件下的馬氏體孿晶b工藝3條件下的鐵素體-碳化物聚集體)

2.力學(xué)性能

圖6表明六種不同試樣的維氏硬度(HV)，1號試樣進(jìn)行三種不同的冷卻處理工藝，其顯微硬度差別不大。采用2號工藝處理，由于馬氏體的作用，其硬度高于1號和3號工藝，3號工藝幾乎得不到馬氏體硬度最低。2號試樣的1號工藝和2號工藝的硬度有明顯差別，造成的原因是含碳量較高時奧氏體較穩(wěn)定而獲得較高的馬氏體體積分?jǐn)?shù)的結(jié)果。

圖6 試樣的維氏硬度

表2 試樣的力學(xué)性能

試樣的力學(xué)性能見表2，拉伸試驗的結(jié)果和硬度試驗結(jié)果是一致的，然而，低溫沖擊韌性差別很大，這是由于馬氏體數(shù)量增多的結(jié)果，馬氏體的存在對室溫沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度影響不大，但對低溫沖擊韌性有不利影響。采用3號工藝所得到的組織性能符合貝氏體鋼的特點，貝氏體與針狀鐵素體具有許多共同的形態(tài)學(xué)上的相似性，實際上針狀鐵素體常被當(dāng)做低碳上貝氏體的一種形式6，可以認(rèn)為3號冷卻工藝使強(qiáng)度、硬度下降而出現(xiàn)較高的低溫沖擊韌性，部分原因歸功于鐵素體板條的軟化，這可能與：(1)鐵素體板條間易變的位錯密度和位錯排列有關(guān)，如在520οC等溫時位錯密度下降;(2)在經(jīng)等溫處理后可能出現(xiàn)了低錯向的板條鐵素體捆束有關(guān)。

四、結(jié)論

對含有少量細(xì)非金屬夾雜物的低碳鋼采用不同的冷卻方式，以獲得針狀鐵素體組織，其中一些顯微相的微小變化對鋼的力學(xué)性能有非常大的影響，因此，為提高針狀鐵素體鋼的力學(xué)性能，仔細(xì)控制鋼的各種顯微組織非常重要。

［1］彭云，許祖澤.鋼鐵(J)1996.(4);53.

［2］R.A.RICKS，P.R.HOWELL，and G.S.BARRITTE：J.Mater.Sci，1982，17，732-740.

［3］R.A.FARRAR and P.L.HARRISON：J.Mater.Sci，1987，22，3812-3820.

［4］J.G.GARLAND and P.R.KIRKWOOD：Met，Constr.，1975，7，275 -283.

［5］J.G.GARLAND and P.R.KIRKWOOD：Met，Constr.，1975，7，320 -330.

［6］F.布賴恩，皮克林，劉嘉禾.鋼的組織與性能(M)，58-59，科學(xué)出版社，1999.

Investigation of Steel with Acicular Ferrites in Titanium with Various Micro-Structure

WANG Ren1，2，SONG Li-na1
(1.Hunan Industry Polytechnic，Changsha 410208，Hunan;2.The College of Engineering，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，Hunan)

Through optical and electron microscopy to study the various micro-phases in different cooling processes to titanium bearing low carbon steels containing fine non-metallic inclusions，it is observed that the ferrite fine microstructure has much effect on their mechanical properties.The existence and amount of small isolated martensite between the acicular ferrite play an important role in determining the tensile strength and low temperature impact toughness of the steels.

the acicular ferrite interlocking;mechanical properties martensit volume fraction

TG14

A

1671-5004(2010)03-0011-02

2010-03-25

王 韌 (1985-)，女，湖南長沙人，湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教、助理實驗師，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院在職碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化;

宋麗娜 (1984-)，女，山東平邑人，湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，研究方向：機(jī)械制造.