王生朝，歐 玲，孫 斌

（湖南工業(yè)大學 冶金工程學院，湖南 株洲 412007）

含Nb微合金鋼Q345和管線鋼X70臨界點的測定

王生朝，歐 玲，孫 斌

（湖南工業(yè)大學 冶金工程學院，湖南 株洲 412007）

利用PCY熱膨脹儀（熱膨脹系數(shù)儀），以2 ℃/min的加熱/冷卻速率，測定了含Nb微合金鋼Q345B，Q345C和管線鋼 X70的臨界點溫度Ac1, Ac3 , Ar1和Ar3，并依據(jù)膨脹曲線圖計算出它們的熱膨脹系數(shù)。試驗結果表明，對Q345B和Q345C進行加熱時，它們的臨界點Ac1和Ac3大致相同，分別相差8 ℃和3 ℃；而冷卻時的臨界點Ar1和Ar3，分別相差23 ℃和25 ℃。由于在X70鋼中，含有更多的微合金元素Nb, V, Ti等，它們的碳氮化物的溶解和析出會對鋼材的相變帶來較大的影響，所以X70鋼的各個臨界點溫度比Q345B和Q345C高出許多。但所測試的3個鋼種的熱膨脹系數(shù)沒有太大的差別。

微合金鋼；臨界點；相變；熱膨脹系數(shù)

0 引言

鋼材的臨界點會隨著加熱或冷卻速度的變化而偏離平衡相圖溫度，這對于鋼坯在熱裝、熱送中組織應力的變化，及鋼材的組織性能等存在重要影響。在一定的加熱溫度范圍內(nèi)，鋼材的臨界點會隨著加熱速率的增大而升高，但是其奧氏體化時間會縮短。相反，在鋼材進行冷卻時，其臨界點也會因為降溫速率的增快而變得更低。此外，鋼材的臨界點溫度Ac1和Ac3與碳的擴散速度成正比例關系[1-4]。而對于彌散分布的細晶?；騺喎€(wěn)定組織的穩(wěn)定性，通常是正火組織以及淬火組織的比退火組織的要差、片狀珠光體比球狀或粒狀珠光體的要差，而且晶粒顆粒也要細一些，比較容易進行相變。

對于同一鋼種來說，其退火組織和球狀或粒狀珠光體升溫時對應的Ac1和Ac3溫度也要高一些。相反地，當其進行冷卻時，相變之前的溫度越高以及保溫時間越長，會因造成高溫奧氏體晶粒的長大以及沒有溶解的顆粒數(shù)目的減少，導致降溫時的Ar1和Ar3溫度低很多[5-6]。因此，在對鋼進行臨界點的測定時，為了使得到的數(shù)據(jù)符合生產(chǎn)實際，選用的測試試樣一般采用退火組織，或采用與對應鋼種具有相同的變形制度和晶粒度的試樣，以保證檢測數(shù)據(jù)更加準確。

本文擬利用熱膨脹系數(shù)儀（PCY熱膨脹儀），對含Nb的微合金鋼Q345B和Q345C，以及管線鋼X70的臨界點Ac1, Ac3 , Ar1和Ar3進行測定，并通過其熱膨脹曲線圖計算其熱膨脹系數(shù)，探討其相變的影響因素和變化規(guī)律。

1 試驗原理

已有對于鋼材臨界點溫度的測試方法，主要有計算法、金相法和膨脹法。因為鋼材的 相和 相之間存在比容的不同，一旦進行固態(tài)相變，會導致原有的膨脹效應和溫度之間的關系發(fā)生變化，所以能夠按照熱膨脹曲線來找到對應的相變溫度。由于膨脹法的試驗材料準備較為簡單，但其結果較為精確。因此，本試驗選用膨脹法對3種鋼材的臨界點溫度進行測試。

如圖1所示為亞共析鋼在一般情況下的溫度-膨脹曲線。

圖1 亞共析鋼的絕對膨脹值與溫度關系Fig. 1 The relationship between absolute expansion value and temperature of hypoeutectoid steel

由圖1 可知，在鋼材進行加熱的過程中，如果溫度沒有達到Ac1，造成試樣長度發(fā)生變化的主要原因是熱膨脹現(xiàn)象，即試樣變長主要是由熱膨脹帶來的；當溫度達到Ac1時，相變開始發(fā)生，因為鐵素體 和奧氏體 的致密度分別為68%和74%，所以在進行相變的過程中，其體積也會相應減小，與前面的熱膨脹伸長疊加，最后導致樣品長度變短，這種情況一直持續(xù)到相變結束。其后，隨著溫度的進一步升高，試樣組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體 ，其長度會隨著熱膨脹的變化而增長[7]。

本研究使用切線法確定鋼材的相轉(zhuǎn)變溫度，即根據(jù)熱膨脹曲線來確定鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度。具體的數(shù)據(jù)處理方法如圖2所示，即將熱膨脹曲線上的純熱膨脹或純冷卻收縮區(qū)的直線段延長，臨界點（膨脹曲線偏離直線的起始位置，即切點）所對應的溫度為鋼材的相轉(zhuǎn)變溫度。

圖2 切點法確定臨界點示意圖Fig. 2 Schematic diagram for critical point by tangent point method

2 試驗材料

本試驗選用含Nb微合金鋼Q345B和Q345C以及管線鋼X70 3個鋼種，表1 列出了所選用鋼材的化學成分及其質(zhì)量分數(shù)。

表1 試驗用鋼的化學成分Table 1 Chemical composition of the tested steels %

試樣取自連鑄坯，切割位置在鑄坯寬度的1/4左右，且靠近鑄坯的上表面。圖3所示為試樣的加工尺寸，試樣兩頭加工為突出的凸臺，以使得試樣和膨脹儀中石英管接觸面積最小，保證試樣傳熱的均勻性，減少變化過程中摩擦阻力對試樣的影響，確保試驗結果的精準性。

圖3 試樣加工尺寸圖Fig. 3 Size of the sample

3 試驗設備和方法

3.1 試驗設備

本試驗中選用的主要設備為PCY系列熱膨脹儀（熱膨脹系數(shù)儀），該設備主要被用于檢測固體無機材料、金屬材料的高溫膨脹性能。選用本儀器，可以完成試樣的線變量、線膨脹系數(shù)、體膨脹系數(shù)、相轉(zhuǎn)變等變化曲線的測定。

PCY系列熱膨脹儀的關鍵性能參數(shù)設置如下：爐溫最高值為1 200 ℃；使用電腦編程執(zhí)行溫度控制，升溫速率為0～100 ℃/min；膨脹值測量范圍為±5 mm；膨脹值的測量分辨率為0.1～1m；試樣可被加工為圓形或方形，尺寸大小為（2～15）mm×（2～15）mm×（20～150）mm。

3.2 試驗方法

將制作好的試樣放置在PCY熱膨脹儀中固定好，然后將測量儀器調(diào)零，先緩慢升溫，控制升溫速率為2 ℃/min；當溫度達950 ℃時，保溫10 min，以使試樣完全奧氏體化；然后以2 ℃/min的冷卻速率降至常溫。整個試驗過程由PCY熱膨脹儀將溫度及膨脹量的變化情況記錄下來，試驗溫度控制曲線如圖4所示。

圖4 試驗工藝曲線Fig. 4 Experimental process curve

4 試驗結果與分析

本試驗中，膨脹儀記錄的鋼材溫度-膨脹量關系曲線見圖5～7。由圖5～7所測鋼種的溫度-膨脹量關系曲線，采用切點法得出的各試驗鋼種臨界點測量值見表2。

圖5 Q345C鋼絕對膨脹量-溫度變化曲線Fig. 5 The changing curve of expansion value - temperature of Q345C steel

圖6 Q345B鋼絕對膨脹量-溫度變化曲線Fig. 6 The changing curve of expansion value - temperature of Q345B steel

圖7 X70鋼絕對膨脹量-溫度變化曲線Fig. 7 The changing curve of expansion value - temperature of X70 steel

表2 試驗用鋼材的臨界點測量值Table 2 The measured values of the critical points ℃

分析表2中的數(shù)據(jù)可以得知，對于微合金鋼Q345B和Q345C，它們的Ac1和Ac3臨界溫度相差不大，分別為8 ℃和3 ℃；但是在進行降溫發(fā)生相變時，其Ar1和Ar3溫度分別相差23 ℃和25 ℃。與Q345B和Q345C相比，X70鋼測得的每一個臨界點溫度都要比它們高出很多。造成這種現(xiàn)象的原因，可能是在X70鋼中，含有Nb, V, Ti等微合金元素的碳氮化物，而這些化合物的溶解和析出對鋼的相變過程存在一定的遲滯作用。

根據(jù)圖5～7所示絕對膨脹量-溫度曲線，并由公式（1）計算，可得Q345C, Q345B, X70在沒有發(fā)生相變的鐵素體區(qū)的膨脹系數(shù)，如表3所示。

ΔT為溫度變化量，單位為℃；

L為試樣的原始長度，單位為mm；

ΔL為絕對膨脹量，單位為mm。

表3 試驗鋼種的熱膨脹系數(shù)Table 3 Thermal expansion coefficients of the tested steels ℃-1

分析表3中的鋼材熱膨脹系數(shù)，可知3個測試鋼種的熱膨脹系數(shù)相差不大，相較而言，Q345B的熱膨脹系數(shù)最小，為1.30×10-5/℃，而X70的最大，為1.40×10-5/℃。出現(xiàn)這一結果的原因是鋼材的膨脹系數(shù)是由鋼中鐵原子的排列結構決定的，而微量的合金元素基本上不會影響鋼材的熱膨脹系數(shù)。

5 結論

本研究采用膨脹法，并通過PCY系列熱膨脹儀測量了Q345B，Q345C，X703個試驗鋼種的相變臨界點Ac1, Ac3, Ar1和Ar3 ，并根據(jù)膨脹曲線算出了不同鋼種在鐵素體區(qū)的熱膨脹系數(shù)。通過試驗與結果分析，可得出如下結論：

1）對于Q345B和Q345C，它們的Ac1和Ac3臨界溫度相差不大，分別為8 ℃和3 ℃，但進行降溫發(fā)生相變時，其Ar1和Ar3溫度相差23℃和25℃。

2）與Q345B和Q345C相比，X70鋼測得的每一個臨界點溫度都要比它們高很多。

3）所測試3個鋼種的熱膨脹系數(shù)相差不大。

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（責任編輯：廖友媛）

Determination of Critical Point of Nb-Microalloyed Steel Q345 and Pipeline Steel X70

Wang Shengzhao， Ou Ling，Sun Bin
（1. School of Metallurgical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

The critical points of Ac1, Ac3, Ar3 and Ar1 of Nb-microalloyed steel Q345B, Q345C and pipeline steel X70 were studied by PCY thermal expansion instrument (thermal expansion coefficient apparatus) with 2 ℃ / min heating/ cooling rate, and the thermal expansion coefficients were calculated according to the expansion curves of the experimental steel. The results showed that the difference values of critical points of Ac1 and Ac3 of Q345B and Q345C steel were not large in heating process, which were 8 ℃ and 3 ℃, but in cooling process the temperature differences of Ar1 and Ar3 were 20℃ and 25℃ respectively. As there was more microalloyed elements of Nb, V, Ti, etc. containing in X70, the dissolution and precipitation of carbon nitride brought about greater impact on the phase transformation of steel, the critical point of X70 is much higher than that of Q345B and Q345C. There is no much difference in the expansion coefficients of the three tested steel .

microalloyed steel； critical point；phase change；thermal expansion coefficient

TG335.5

A

1673-9833(2015)05-0088-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.05.018

2015-05-10

湖南省科學技術廳科技計劃基金資助項目（2014GK3169）

王生朝（1970-），男，河南南陽人，湖南工業(yè)大學副教授，主要從事材料加工領域的教學與研究，E-mail：steelboy2006@163.com