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        奧氏體高溫轉(zhuǎn)變區(qū)二段冷卻速率對鐵素體相變的影響

        2013-12-01 06:37:54彭寧琦唐廣波劉正東
        材料工程 2013年9期
        關(guān)鍵詞:冷速金相貝氏體

        彭寧琦,唐廣波,劉正東

        (鋼鐵研究總院 結(jié)構(gòu)材料研究所,北京100081)

        鋼鐵的熱連軋過程一般要經(jīng)歷由高溫到室溫的冷卻過程。過冷奧氏體以不同冷卻速率和冷卻方式冷卻時,將形成不同的相變產(chǎn)物(鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體等),獲得不同的組織和性能。相比于層流冷卻,超快冷充分發(fā)揮水的冷卻效率,大幅度提高冷卻能力。超快冷與層流冷卻的綜合應(yīng)用,使冷速更能柔性化地被控制,成為現(xiàn)在控制冷卻技術(shù)研究的熱點[1-3]。應(yīng)用前置式(終軋后與層冷間)超快冷設(shè)備的熱軋線現(xiàn)場,軋后經(jīng)歷短時超快冷再進入層冷,冷卻速率發(fā)生很大變化。以往常通過實驗室熱模擬不同的恒定冷卻速率下的組織演變情況作為現(xiàn)場控制冷卻的依據(jù)[4-8]。為了研究應(yīng)用前置式超快冷對鐵素體相變的影響,本工作對過冷奧氏體高溫轉(zhuǎn)變區(qū)進行二段冷卻,分析二段冷卻速率對鐵素體相變開始溫度和相變組織的影響。

        1 實驗材料與方法

        實驗用鋼為一種C-Mn鋼,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)如下:C 0.21,N 0.016,Si 0.41,Mn 1.24,S 0.005,P 0.012,余量為Fe。

        采用Gleeble動態(tài)熱力模擬試驗機進行熱壓縮變形后的多段冷卻速率控制。為獲得超快冷卻速率,將實驗用鋼機加工成φ5mm×10mm的圓柱。試樣冷卻過程中,將發(fā)生冷縮,為防止試樣掉落,熱壓縮變形后給Gleeble的壓頭施加一個連續(xù)的微量位移(使壓頭的變形速率大于試樣的收縮速率),以頂住試樣。由于試樣冷卻過程中將發(fā)生相變,而不同相熱變形時表現(xiàn)的變形抗力不同,因此,冷卻過程中任何應(yīng)力-溫度曲線上的偏轉(zhuǎn)都與微觀組織的變化有關(guān),偏轉(zhuǎn)點對應(yīng)的溫度即為動態(tài)相變點[9]。為此,設(shè)計本實驗熱力模擬的規(guī)程如圖1(以實際模擬數(shù)據(jù)作示意圖)和表1所示。

        圖1 熱模擬實驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal simulation test

        表1 試樣編號與熱模擬實驗工藝參數(shù)對照Table 1 Sample numbers and thermal simulation process parameters

        將試樣以10℃/s的速率加熱到1000℃保溫5min,使試樣充分奧氏體化,然后以10℃/s的冷速冷卻至900℃,等溫5s消除試樣內(nèi)部的溫度梯度,再以1s-1的應(yīng)變速率進行壓縮變形,變形量為50%,采用二段冷卻速率冷卻到T2溫度后迅速淬火,第一段冷卻的冷速為v1,冷卻時間為t1,冷卻后溫度為T1,第二段冷卻的冷速為v2,冷卻時間為t2,冷卻過程中對試樣壓縮0.2mm,記錄整個過程的時間、溫度、應(yīng)變和應(yīng)力數(shù)據(jù)。

        將所有淬火試樣沿加載方向切開,經(jīng)鑲樣后研磨、拋光、4%硝酸酒精腐蝕,制成金相試樣。在光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織,選擇合適的放大倍數(shù),采集不少于20個視場的觀察區(qū)域,利用圖像處理軟件,定量分析各實驗條件下的鐵素體相含量。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 動態(tài)相變開始溫度的確定方法

        以試樣A7為例,對試樣壓縮變形后冷卻過程中采集的溫度、應(yīng)力數(shù)據(jù)繪圖,如圖2所示。試樣A7的實驗條件下,壓縮后冷卻過程中應(yīng)變量隨時間的增加(二段冷卻的冷速一致)均勻增大,但應(yīng)力-溫度曲線上出現(xiàn)了明顯的拐點。冷卻過程的壓縮變形,當(dāng)鐵素體形成時,應(yīng)力-溫度曲線開始偏離單相奧氏體應(yīng)力的延伸線,并隨著鐵素體相變的不斷進行,應(yīng)力逐漸下降,這個拐點可確定為Ar3溫度。如果僅發(fā)生奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變,鐵素體相變結(jié)束溫度Tf后應(yīng)力會開始較緩慢地上升,如圖2中的虛線所示;如果一旦發(fā)生奧氏體向珠光體或貝氏體的轉(zhuǎn)變,應(yīng)力會開始急劇上升,可將此拐點確定為珠光體或貝氏體相變的開始溫度Ar1和Bs。

        圖2 動態(tài)相變點的確定方法Fig.2 Method to determine the phase transformation start temperature

        分析試樣A7的應(yīng)力-溫度曲線,過冷奧氏體鐵素體相變開始溫度Ar3為800℃,珠光體相變開始溫度Ar1為775℃,貝氏體相變開始溫度Bs為700℃。為驗證確定的Ar3,Ar1和Bs溫度,以A7試樣同等的變形情況和冷卻速率,在曲線拐點附近(810,790,770℃和700℃時)對A9~A12試樣進行水淬急冷,觀察各試樣的金相組織,如圖3所示。試樣A9為淬火馬氏體組織;試樣A10在馬氏體晶界處出現(xiàn)了極少量的白色鐵素體組織;試樣A11為晶界上的多邊形鐵素體和馬氏體的組織;試樣A12發(fā)生了珠光體相變;試樣A7的組織為白色多邊形和網(wǎng)狀的鐵素體+條紋狀的珠光體+短棒狀的貝氏體+塊狀的馬氏體。金相組織表明,在冷卻過程中變形,以應(yīng)力-溫度曲線的拐點確定動態(tài)相變開始溫度的方法是可行的。

        圖3 淬火試樣的金相組織 (a)A9;(b)A10;(c)A11;(d)A12;(e)A7Fig.3 Microstructures of quenched specimens (a)A9;(b)A10;(c)A11;(d)A12;(e)A7

        2.2 二段冷卻速率對鐵素體相變開始溫度的影響

        按照確定動態(tài)相變開始溫度的方法,求取各實驗條件下鐵素體相變開始溫度的結(jié)果如圖4所示??梢钥闯?,鐵素體相變開始溫度與實驗的熱履歷密切相關(guān)。

        圖4 不同實驗條件下的鐵素體相變開始溫度Fig.4 Ferrite transformation start temperature under different experimental conditions

        試樣A2,A7和 A8分別以10,12.5℃/s和15℃/s的冷速連續(xù)冷卻,對應(yīng)的鐵素體相變開始溫度分別為806,797℃和790℃,鐵素體相變開始時的冷卻時間分別為14.9,13.8s和12.5s,這反映出一般性的結(jié)論:隨著連續(xù)冷卻速率的增大,相同狀態(tài)過冷奧氏體鐵素體相變的開始溫度降低,孕育期縮短。

        試樣A1~A6經(jīng)歷二段不同冷卻速率冷卻相同時間至700℃。對這6個試樣的鐵素體相變開始溫度進行分析,研究表明:在過冷奧氏體高溫轉(zhuǎn)變區(qū),若以2個不同冷卻速率冷卻,相對于連續(xù)冷卻的冷速和鐵素體相變開始溫度,當(dāng)前段緩冷(小于連續(xù)冷卻的冷速),后段快冷時(大于連續(xù)冷卻的冷速),鐵素體相變開始溫度上升;反之,當(dāng)前段快冷,后段緩冷時,鐵素體相變開始溫度下降,并且,當(dāng)緩冷或快冷的冷速變化程度較大時,鐵素體相變開始溫度有更大的上升或下降趨勢。因此,應(yīng)用前置式超快冷,能夠降低鐵素體相變開始溫度,使更多的鐵素體在較低溫度時形核與長大,以期細(xì)化鐵素體晶粒尺寸[10]。

        綜合考究所有試樣的鐵素體相變開始溫度,得出一個普遍的規(guī)律:鐵素體開始轉(zhuǎn)變時,無論此時的瞬時冷卻速率多大,只要所處的熱履歷時間更短,開始轉(zhuǎn)變溫度就越低。

        2.3 不同實驗條件下的金相組織分析

        圖5示出了A1~A6淬火試樣的金相組織。6個試樣中,只有A1存在貝氏體組織,其他5個試樣的金相組織中,從A2到A6,鐵素體的轉(zhuǎn)變量逐漸增多,并且鐵素體的分布逐漸由晶界向晶內(nèi)擴展。組織觀察表明,在900~700℃溫度區(qū)間內(nèi)二段冷卻過程中,當(dāng)前段快冷、后段緩冷時提高了過冷奧氏體鐵素體相變的轉(zhuǎn)變量;由于鐵素體相變溫度較高,碳原子擴散能力較強,并且碳在鐵素體中的溶解度遠小于在奧氏體中的溶解度,所以碳原子可以由鐵素體通過鐵素體-奧氏體相界面向奧氏體進行充分?jǐn)U散,使剩余的奧氏體中固溶的碳含量增加,而碳含量的增加將降低貝氏體相變的開始溫度,因此,試樣A2~A6未發(fā)生貝氏體相變,試樣A1由于較少的鐵素體轉(zhuǎn)變量,在700℃以上時就發(fā)生了貝氏體相變。胡良均等[11]研究弛豫對低碳貝氏體鋼影響時,認(rèn)為弛豫有利于同等冷卻條件下得到貝氏體組織,尤其是板條狀的貝氏體組織,這與試樣A1弛豫2s再連續(xù)冷卻的金相組織結(jié)果一致。

        圖5 二段冷卻速率變化時的金相組織 (a)A1;(b)A2;(c)A3;(d)A4;(e)A5;(f)A6Fig.5 Microstructures of quenched specimens for different two-stage cooling rates(a)A1;(b)A2;(c)A3;(d)A4;(e)A5;(f)A6

        圖6示出了試樣A8的金相組織,結(jié)合圖3中試樣A7和圖5中試樣A2的金相組織進行分析(試樣A2,A7和A8分別以不同冷速連續(xù)冷卻20s后淬火),觀察結(jié)果顯示,連續(xù)冷卻速率為10℃/s時,鐵素體沿晶界呈網(wǎng)狀分布;隨著冷卻速率提高到12.5℃/s時,出現(xiàn)了較多的珠光體和少量的貝氏體;當(dāng)冷卻速率繼續(xù)增至15℃/s時,珠光體數(shù)量明顯減少,出現(xiàn)大量貝氏體,并與晶界上的鐵素體連成一片,組織比較均勻。觀察結(jié)果表明,此種鋼壓縮變形50%時,臨界淬火冷卻速率大于15℃/s;冷卻速率為10℃/s時,貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度低于700℃,因此,在壓縮變形溫度900~700℃的區(qū)間內(nèi)進行二段冷卻,且冷卻時間相同,能夠考慮二段冷卻速率對鐵素體相變的影響。

        圖6 試樣A8以15℃/s的冷速連續(xù)冷卻20s后淬火的金相組織Fig.6 Microstructure of quenched specimen A8after cooled for 20scontinuously at 15℃/s cooling rate

        2.4 二段冷卻速率對鐵素體體積分?jǐn)?shù)的影響

        為了定量地研究二段冷卻速率對鐵素體體積分?jǐn)?shù)的影響,采用圖像分析軟件對各試樣淬火組織中鐵素體含量進行測定,用多張試樣光學(xué)顯微組織中鐵素體所占面積百分比的平均值表示鐵素體體積分?jǐn)?shù)。

        圖7示出了鐵素體體積分?jǐn)?shù)與相變開始溫度的對應(yīng)關(guān)系??梢钥闯觯寒?dāng)變形量、冷卻的溫度區(qū)間和冷卻時間一定時,鐵素體體積分?jǐn)?shù)隨相變開始溫度的降低而增加。結(jié)合上述二段冷卻速率對鐵素體相變開始溫度影響的結(jié)論,分析表明:在一定的過冷奧氏體高溫轉(zhuǎn)變區(qū)間,若以2個不同冷卻速率冷卻相同時間,相對于連續(xù)冷卻的冷速和對應(yīng)的鐵素體相變體積分?jǐn)?shù),當(dāng)前段快冷(大于連續(xù)冷卻的冷速),后段緩冷時(小于連續(xù)冷卻的冷速),鐵素體相變的體積分?jǐn)?shù)將增加。這是因為鐵素體相變過程是一個熱激活過程,前段快冷時,使過冷奧氏體中空穴數(shù)目增多,這些空穴將會在界面處湮沒,這樣界面結(jié)構(gòu)會變得更松散,即晶界位相角會有所增加,從而導(dǎo)致母相中原子通過熱激活躍過界面進入新相所需克服的能壘(生長激活能)減小,增大鐵素體的長大速率[12];過冷度的增加,降低了臨界形核功,增大了相變自由能,有利于鐵素體相的形核和長大;前段快冷減少了形變奧氏體的回復(fù)程度,為鐵素體相變提供更多的形核位置和更大的長大驅(qū)動力。當(dāng)鐵素體相變溫度較低時,形核率和晶核長大速率隨著原子擴散能力的降低而減小,所以,隨前段快冷冷速的增大(后段冷速相應(yīng)的減小),鐵素體相變體積分?jǐn)?shù)增加的趨勢有所減緩。因此,應(yīng)用前置式超快冷,并隨后緩冷的冷卻方式有助于提高鐵素體相變的體積分?jǐn)?shù)。

        圖7 鐵素體體積分?jǐn)?shù)與相變開始溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between ferrite volume fraction and ferrite transformation start temperature

        3 結(jié)論

        (1)在冷卻過程中施加應(yīng)變,以應(yīng)力-溫度曲線的拐點確定動態(tài)相變開始溫度的方法是可行的。

        (2)過冷奧氏體高溫轉(zhuǎn)變區(qū),若以2個不同冷卻速率冷卻相同時間,相對于連續(xù)冷卻的冷速和對應(yīng)的鐵素體相變體積分?jǐn)?shù),當(dāng)前段快冷(大于連續(xù)冷卻的冷速),后段緩冷時(小于連續(xù)冷卻的冷速),鐵素體相變開始溫度下降,但鐵素體相變的體積分?jǐn)?shù)將增加。

        (3)應(yīng)用前置式超快冷,并隨后緩冷的冷卻方式有助于提高鐵素體轉(zhuǎn)變量,并降低鐵素體相變的溫度,以細(xì)化鐵素體晶粒。

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