珠光體鋼晶粒尺寸與拉伸性能的關系研究*

曹毓鵬1，2，蔣永1，冉巍巍1，肖祥麗2，魏澤民1,2，梁宇1,2

(1.貴州大學材料與冶金學院，貴州貴陽550025；2.貴州省材料結構與強度重點實驗室，貴州貴陽550025)

摘要：以中高碳碳素鋼為研究對象，研究了奧氏體化溫度與鹽浴等溫溫度對珠光體組織及其性能的影響，試驗進行了微觀組織觀察與統(tǒng)計，力學性能測試與斷口觀察。結果表明珠光體片間距隨等溫溫度下降而細化，在相同等溫溫度下細晶粒鋼中先共析鐵素體含量高于粗晶粒鋼，珠光體鋼的強度指標主要取決于珠光體的片層間距，而原奧氏體晶粒大小與先共析鐵素含量對其塑性指標的影響比較明顯。

關鍵詞:珠光體鋼微觀組織力學性能

中圖分類號：TG115.21文獻標識碼：A

基金項目：貴州大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(貴大省創(chuàng)字[2013]005)。

作者簡介：曹毓鵬(1992-)，男，山西介休人，貴州大學本科，材料科學與工程專業(yè)。

通訊作者：梁宇(1978-)，男，副教授。

收稿日期：2015-04-03

Research on relationship between grain size and tensile properties of pearlitic steel

CAO Yupeng，JIANG Yong，RAN Weiwei，XIAO Xiangli，WEI Zemin，LIANG Yu

Abstract:High carbon steel was employed in this study. The effect of austenitizing temperature and bath isothermal temperature on the pearlitic microstructure and properties were investigated. And the microstructure was observed and counted, mechanics properties were tested and fractures were observed. The results show that the interlamellar spacing of pearlitic structure is refined with the decreasing of the isothermal temperature. At the same isothermal temperature, the amount of proeutectoid ferrite in fine grained steel is more than the coarse-grained one. The strength of pearlitic steel is determined by the interlamellar spacing of pearlitic structure, and plasticity index is influenced distinctly by austenite grain size and proeutectoid ferrite content.

Keywords:pearlitic steel ; microstructure; mechanical properties

T7鋼是屬于碳素工具鋼，具有一定的硬度，韌性，廣泛應用于鋸、鑿、鉚、錘、鍛模、壓模，鉗工工具等中。其中的珠光體組織是鋼中的重要組織之一，高品質(zhì)盤條鋼，鋼絲，鋼絞線產(chǎn)品，城軌，地鐵列車車輪、軌道等均是重要的珠光體組織結構件。國內(nèi)外研究對珠光體片層間距和原奧氏體晶粒及珠光體團尺寸等參數(shù)與力學性能指標進行了探索，細化珠光體亞結構組織，提高其綜合力學性能的研究已較為廣泛[1-3]。細小的片層間距有利于珠光體鋼強度的提高，而細化原奧氏體晶粒則有利于其塑韌性的提高[4]。還有試驗指出，細珠光體團有利于提高基體疲勞裂紋擴展阻力[5]。但對珠光體晶粒尺寸，珠光體片層間距，珠光體團尺寸，奧氏體化溫度等因素對力學性能影響，以及通過顯微組織對構件使用范圍的判斷還有待進一步的細化研究。對珠光體組織與力學性能的研究將有助于了解影響構件力學性能的主要因素，判斷構件的使用壽命，同時指導相關熱加工工藝的實施。

1實驗材料與方法

實驗所用材料為市售高碳鋼，主要化學成分見表1。分別選取8組試樣進行熱處理，熱處理工藝見表2所示。熱處理試驗用設備是SRJX-4-13型箱式電阻爐以及配套的KSY-6-16型XMT系列數(shù)顯溫控儀。

表1

化學成分/w/%

表2

試樣熱處理工藝

熱處理后，各組試樣分別加工成直徑為8 mm的標準圓柱拉伸試樣，在Instron8501萬能試驗機上進行力學性能試驗。切取金相試樣，磨制拋光后用3%的硝酸酒精溶液侵蝕，奧氏體晶粒度采用過飽和苦味酸水溶液腐蝕，在Leica DMI5000M智能數(shù)顯式金相顯微鏡下觀察金相組織。在ZEISS SUPRA40型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)進行微觀組織和斷口觀察，片層間距及團尺寸測量采用多張 SEM 照片通過截線法進行測量，并取平均值。

2實驗結果

2.1微觀組織觀察

兩種不同奧氏體化溫度所得奧氏體晶粒照片如圖1所示，可以看出奧氏體晶粒尺寸隨著奧氏體溫度的升高而增大。

(a)1 000℃　　　　　　　　　　(b)860℃ 圖1　奧氏體晶粒組織

圖2和圖3分別為1 000℃和800℃奧氏體化保溫后分別在600℃、550℃、500℃、450℃保溫后的金相組織。從圖中可觀察到1 000℃奧氏體化試樣組織更為粗大，在相同等溫鹽浴溫度時1 000℃奧氏體化試樣中先共析鐵素體量相對于800℃奧氏體化試樣的先共析鐵素體量要少。

圖2　T7鋼1 000℃奧氏體化不同溫度等溫的顯微組織

圖3　T7鋼860℃奧氏體化不同溫度等溫的顯微組織

圖4　珠光體片層圖

兩組奧氏體化溫度中500℃，550℃等溫的試樣的片間距SEM圖像如圖4所示，500℃等溫試樣片間距相對550℃等溫試樣片間距要細小，晶粒尺寸相對細小的860℃奧氏體化試樣與晶粒尺寸相對粗大的1 000℃奧氏體化試樣對比，其先共析鐵素體明顯含量較多。不同奧氏體化溫度與不同鹽浴等溫溫度試樣片層間距、珠光體團尺寸與先共析鐵素體含量統(tǒng)計結果見表3所示。

根據(jù)表3，隨珠光體等溫轉變溫度的降低，珠光體片層間距逐漸減小，且隨著過冷度的降低珠光體形核率下降，珠光體團尺寸開始上升。在粗晶粒鋼中，由于晶界少，相變形核位置則少，因此相同等溫溫度下粗晶粒試樣相對細晶粒試樣珠光體團尺寸要小。但由于細晶粒試樣形核位置較多，則在冷卻過程中更容易在晶界出現(xiàn)先共析鐵素體，因此，奧氏體晶粒尺寸較細小的試樣組織相對細化，但先共析鐵素體含量相對較多。

表3

不同熱處理工藝下顯微組織特征

2.2力學性能

不同熱處理工藝力學性能如圖5。圖5(a)為不同熱處理工藝下試樣的平均強度指標，從性能結果來看，強度是隨等溫溫度的上升而呈下降趨勢，但在相同的等溫溫度條件下，1 000℃與860℃奧氏體化試樣強度差異并不非常明顯，相同等溫溫度下晶粒尺寸較小的860℃奧氏體化試樣強度并不比晶粒較粗大的1 000℃奧氏體化試樣更大。兩組不同奧氏體化溫度中相同等溫溫度下的試樣塑性差距明顯(圖5(b))，因此晶粒尺寸相對于珠光體片層間距對斷面收縮率和伸長率等塑性性能影響比較明顯。

(a)強度指標　　　　　　　　(b)塑性指標 圖5　力學性能

3分析與討論

珠光體結構鋼中除了晶粒尺寸外，還有珠光體團尺寸，片層間距，先共析鐵素體組織等豐富的微觀結構，每一種亞結構尺寸對珠光體的各項力學性能都具有不同的影響。對于珠光體結構鋼線材來說，其冷拔性能要求其具有較高的索氏體化率，防止先共析鐵素體對性能的有害影響[6]。但在本研究中發(fā)現(xiàn)以及相關報道中[7,8]指出，相同的等溫溫度下，細晶粒鋼由于晶界多，相變有效形核位置高，因此更容易促進先共析鐵素體的析出，因此對于珠光體相變，晶粒尺寸與冷卻速度的合理配合才能防止先共析鐵素體的大量形成。

影響珠光體鋼力學性能的微觀組織主要是片間距[9-13]，本實驗中試樣力學性能隨片層間距的上升而呈明顯下降趨勢，同時較低的等溫溫度帶來較高的形核過冷度，珠光體團尺寸由此也顯著細化，但其強度指標主要與片層間距對應。而從塑性指標來看，晶粒細化能大幅降低拉伸過程在晶界上的應力集中現(xiàn)象，增加裂紋的擴展阻力，提高裂紋擴展阻力，能夠滿足試樣均勻塑性變形能力要求。如圖6為1 000℃奧氏體化在500℃等溫的試樣(圖6(a))與860℃奧氏體化在500℃等溫試樣(圖6(b))的斷口對比，從圖中明顯看出，粗晶粒斷口主要呈現(xiàn)一種沿珠光體片層解理的形貌，珠光體片層形貌特征在斷口中反映比較明顯，而細晶粒試樣的斷口主要是一種韌窩形貌，其斷裂過程塑性變形消耗了大量的能量，是一種典型的塑性斷口。

(a)1000℃-860℃-500℃　　　(b)860℃-500℃纖維區(qū) 　　　　　纖維區(qū) 圖6　斷口SEM

4結論

1)珠光體鋼的強度主要由片層間距所決定，對珠光體相變等溫溫度的上升，珠光體片層間距增加，強度指標呈下降趨勢。晶粒尺寸對其強度的影響不明顯。

2)隨晶粒尺寸的細化，相同相變等溫溫度條件下先共析鐵素體含量上升，且晶粒細小，珠光體相變形核率上升，珠光體團尺寸越細化，晶粒尺寸對塑性指標具有明顯影響。

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