砷对45钢组织及力学性能的影响

1、砷对45钢组织及力学性能的影响摘要:采用膨胀法、金相法研究了不同As含量45钢的过冷奥氏体连续冷却转变过程, 分析了45 钢在不同冷速下过冷奥氏体的组织转变, 测定了试验钢的室温抗拉强度与冲击功, 并利用扫描电镜(SEM)观察了断口形貌。研究结果表明, 随砷含量的增加, 45钢组织中的铁素体含量增加, 且较易形成晶内铁素体;砷的加入缩短了贝氏体转变的孕育期, 使45 钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线明显左移, 其Ms点温度随砷含量的增加依次下降;砷含量<0.25%时, 对45钢强度与韧性的影响并不明显。关键词:45钢;砷;CCT曲线;力学性能中图分类号:TG142.1 +3文献标志码:A文

2、章编号:0254-6051(2010)02-0033-06Effectofarseniconmicrostructureandmechanicalpropertiesof45 steelCHENGHui-jing1, WANGFu-ming1 , LIChang-rong2 , TANYan-ping1, WANGJian-jun3(1.SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China;2 .SchoolofMaterialsS

3、cienceandEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China;3.JiangyinXingchengSpecialSteelCo., Ltd, JiangyinJiangsu214429, China)Abstract:Thecontinuouscoolingtransformationcurvesfor45 steelswithvaried contentsofarsenicwereexaminedbyuseofthermaldilatometerandmetallography.And

4、themicrostructureobtainedatdifferentcoolingrateswasanalyzed.Theroom temperaturetensilestrengthandtheimpactenergyofthetestedsteelsweremeasuredandthefractographywasobservedusingSEM.TheresultsshowthattheferritecontentsincreaseandtheintragranularferritephaseiseasilyformedwiththeincreaseofamountofAsin45

5、steel.TheadditionofAsshortenstheincubationperiodofbainitetransformationandmakestheCCTcurveof45 steelshifttoleft.Atthesametime, MspointisdecreasedbyincreasingtheAscontent.WhentheAscontentislessthan0.25%, arsenichasnosignificanteffectonthestrengthandtoughnessof45steel.Keywords:45 steel;arsenic(As);CCT

6、curve;mechanicalproperties收稿日期:2009-09-15基金项目:国家自然科学基金项目(50574010);教育部博士点基金项目(20060008015)作者简介:程慧静(1976 ), 女, 山东济南人, 在读博士研究生, 主要研究方向是对Nb、V复合微合金化强韧化机理方面的研究, 已发表论文3篇。联系人:王福明联系电话 E-mail:Wangfuming钢中的残余元素问题是当代冶金工业面临的重要问题之一 1 。砷是钢中经常出现的残余有害元素之一, 它一般来源于炼钢原料中, 我国南方部分铁矿石中含有较高的砷元素 2 , 以广东大宝山矿为例

7、, 砷多以臭葱石(FeAsO4·2H2O)形态存在, 也有以其他自然界砷化物形态存在的 3 。一旦含砷铁矿石进入高炉便被全部还原进入生铁 4 , 在炼钢过程中是不可能被氧化去除的, 且会不断富集残留到钢中 5 。使用这种矿石所生产的钢, 其砷含量一般都在0.09%左右 6 。此外, 随着废钢不断的反复循环使用, 这些残留元素在钢中的含量不断累积, 致使一些钢厂生产的钢中砷含量严重超标, 有的甚至高于0.1%, 从而显著降低了钢材的韧性及热塑性, 并严重影响了钢材的热加工性能 7 。由于含As钢在表面氧化的情况下会产生选择性氧化, 曾经有试验表明 8 , 当砷含量0.020 %时,钢板

8、不出现裂纹, 但是当砷含量>0.020%时, 钢板表面会出现微裂纹(加热工艺控制不当), 而且砷含量越高, 出现的裂纹越严重。因此, 对于有特殊用途的钢均严格控制砷的含量。限制钢中砷含量, 不仅保证钢材的性能, 也是为了将废钢重熔时防止砷的“扩散” 。而随着含砷铁矿资源的不断开发, 深入研究砷对钢性能的影响规律, 寻求砷元素在钢中的允许存在含量, 避免由此导致钢性能的降低, 具有重要的现实意义 9 。但关于As元素对中碳钢的相变与组织性能影响的系统研究文献报道较少。本工作以45钢为研究对象, 通过添加不同含量的As测定其相应的过冷奥氏体连续冷却曲线(CCT)及其力学性能, 从而研究砷元素

9、对中碳钢的相变及组织性能的影响。DOI :10.13251/j .issn.0254 -6051.2010.02.03334第35卷1试验材料与方法1.1试验材料试验用钢以普通45钢为原料, 加入不同含量的As元素, 在ZG-0.01型真空感应炉中冶炼3炉钢, 每炉6 kg, 其化学成分见表1所示。以45钢实际生产工艺参数为依据, 对铸锭作进一步锻造, 其开锻温度在1100 以上, 终锻温度为850 900 , 锻后空冷, 得到 20 mm的棒材。利用线切割机将试样加工成4 mm×10 mm的圆柱形热膨胀试样、 6 mm×30 mm拉伸试样和V型标准10 mm×1

10、0 mm×55 mm的冲击试样。表1试验钢化学成分(质量分数, %)Table1Chemicalcompositionofthetestedsteels(wt%)试样号C Si Mn P S As1 0.420 0.220 0.650 0.013 0.017 02 0.430 0.260 0.622 0.013 0.016 0.0453 0.430 0.290 0.630 0.019 0.014 0.2501.2试验设备及方法采用Baehr-Thermo热分析公司生产的DLL805淬火/变形热膨胀仪(相变仪), 以10 /s的加热速率分别将3组试样从室温加热到1100 并保温5 mi

11、n, 使得试验钢中合金元素充分固溶, 再以10 /s的冷速冷却至950 均热30 s, 使得奥氏体均匀化, 然后分别以13种不同冷速冷却至室温, 具体工艺如图1所示。图1测定CCT曲线工艺Fig.1Schematicofthecontinuouscoolingprocesses室温条件下, 拉伸试验与冲击试验分别在MTS810材料试验机和JB300B型冲击试验机上进行。并利用SEM电镜对断口形貌进行观察与分析。2试验结果与分析2.1As对45钢锻后空冷组织的影响三种试验钢经锻后空冷的金相组织如图2所示。由图2可知, 三种试验钢的空冷组织均为铁素体和珠光体组织, 由于砷元素在奥氏体中的溶解增大了

12、奥氏体晶粒的畸变能, 增加了奥氏体点阵的空隙使得碳原子扩散更容易, 从而使得2号、3号钢中形成相对较多的晶内铁素体, 且铁素体含量随砷含量的增加而增加,利用图像分析软件计算1号、2 号、3号钢的铁素体平均含量分别为26.7%、34.5%、39.4%。图2试验钢的锻后空冷显微组织(a)1 号钢;(b)2号钢;(c)3 号钢Fig2Microstructureofthetestedsteelsas-forgedcooledbyair(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.32.2As对45钢过冷奥氏体连续冷却转变组织的影响为了控制室温下材料的组织和性能, 必须了解

13、材料在冷却过程中的组织变化, 而钢的过冷奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线可以清晰的描述钢的组织转变过程。通过测定不同冷速条件下的温度-膨胀量曲线, 结合金相显微镜观测结果, 采用切线法确定每种工艺不同冷速下对应的温度膨胀曲线的相变开始点与结束点。将每种工艺测得的一组数据加以整理, 得到三种试验钢CCT曲线, 如图3所示。由图3可以看出, 三种试验钢的CCT曲线均可分为3个区域:高温转变区(550 750 左右), 相变产物主要为铁素体(F)和珠光体(P), 它是由铁素体转变开始线和终了线, 以及珠光体转变开始线、终了线所第2期程慧静, 等:砷对45钢组织及力学性能的影响35组成;中温转变区(4

14、00 580 左右), 相变产物主要是贝氏体(B);低温转变区(180 380 左右),相变产物主要为马氏体(M)。砷是封闭相区的元素, 残余元素砷不但能在基图3三种试验钢的CCT曲线(a)1 号钢;(b)2号钢;(c)3 号钢Fig.3CCTcurvesofthethreetestedsteels(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.3体里以置换固溶的方式溶解, 还能与基体的铁元素生成AsxFey型产物, 减少碳在基体里的溶解, 增加组织中的碳化物 10 , 从而对45钢的连续冷却曲线产生影响。对比三种试验钢的CCT曲线可以看出, 与未添加砷元素的1号钢相

15、比, 含砷量分别为0.045%和0.25%的2号、3号钢的CCT曲线明显左移, 此左移规律与冯赞研究的砷对E36船板钢连续冷却转变曲线的影响相一致 11 , 同时, 随砷含量的增加, 珠光体转变区域随之变宽, 贝氏体区的转变时间明显缩短;马氏体相变点Ms温度也随砷含量的增加分别降低了2.9 和5.4 ,这是由于加热时溶入奥氏体中的砷元素降低了奥氏体的化学自由能, 或升高了马氏体的化学自由能, 从而减少了两者之间的差值 12 , 降低了Ms点温度。不同冷速下试样的金相组织如图4 8所示。由图4冷却速度为0.2 /s三组试样的显微组织(a)1 号钢;(b)2号钢;(c)3 号钢Fig.4Micro

16、structureofthethreetestedsteelsatcoolingrate0.2 /s(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.3图5冷却速度为10 /s三组试样的显微组织(a)1 号钢;(b)2号钢;(c)3 号钢Fig.5Microstructureofthethreetestedsteelsatcoolingrate10 /s(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.336第35卷图4 8可知, 随着冷速的增加, 组织中的铁素体与珠光体数量随之减少, 且沿晶铁素体越来越细小, 组织由铁素体和珠光体向贝氏体和马氏

17、体转变。对比同一冷速下三组试验钢的金相组织可知, 随着As含量的增加, 组织中先共析铁素体含量逐渐增加(如图4 所示)。当冷速为10 /s时, 1号钢中开始有贝氏体转变发生, 而含砷的2号、3号钢中组织仍为铁素体和珠光体(如图5所示)。当冷速达到30/s时, 1号、2号钢中已基本无铁素体和珠光体, 组织主要是贝氏体和马氏体, 而含砷量相对最高的3号钢中仍存在少量铁素体和珠光体组织(如图6(c)所示)。当冷速达到70 /s时, 1号钢中以马氏体组织为主, 基本已无贝氏体转变发生, 2号、3号钢中仍以贝氏体和马氏体的混合组织为主(如图7中(b)、(c)所示);当冷速达到120 /s时, 三种试验钢

18、组织均为马氏体(如图8所示)。2.3As对45钢力学性能的影响室温条件下, 三组试验钢的拉伸及冲击试验结果见表2所示。由测试结果可知, 砷的加入使得45钢的图6冷却速度为30 /s三组试样的显微组织(a)1 号钢;(b)2号钢;(c)3 号钢Fig.6Microstructureofthethreetestedsteelsatcoolingrate30 /s(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.3图7冷却速度为70 /s三组试样的显微组织(a)1 号钢;(b)2号钢;(c)3 号钢Fig.7Microstructureofthethreetestedstee

19、lsatcoolingrate70 /s(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.3图8三组试样冷却速度为120 /s的显微组织(a)1 号钢;(b)2号钢;(c)3 号钢Fig.8Microstructureofthethreetestedsteelsatcoolingrate120 /s(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.3第2期程慧静, 等:砷对45钢组织及力学性能的影响37拉伸性能略有下降, 只是含砷量0.045%的2号钢屈服强度与抗拉强度均低于含砷量为0.25%的3号钢。这个结果可以从前面测定的几组CCT曲线来说明

20、, 由于As使得CCT曲线左移, 因此不含As的1号试样的组织比较细小, 强度与塑性也较高。通过对拉伸断口的微观组织观察可知(如图9所示), 砷元素的加入对45钢的抗拉强度造成的影响不大, 沿晶断裂并不明显, 其韧窝断裂是伴随有大量范性形变的断裂。在拉应力的作用下, 当应力超过材料的屈服强度之后, 材料开始产生范性形变, 在夹杂物存在的地方易产生应力集中, 进而在夹杂物与钢基体的交界面处产生微孔, 随着应变的增加, 微孔不断增大, 最后通过韧窝互相联合导致断裂 13 。在扫描电镜下可发现以夹杂物为核心的韧窝(如图10所示), 证明微孔多萌生于夹杂物或第二相与基体的界面上, 从而降低其抗拉强度。

21、表2试验钢的力学性能Table2Mechanicalpropertiesofthetestedsteels试样号屈服强度Rel/MPa抗拉强度Rm/MPa伸长率A/%收缩率Z/%冲击韧度AKV/J1 387.5 657.5 25.0 53.5 19.02 377.5 652.5 22.5 48.5 16.53 385.0 655.0 24.0 52.0 23.5就冲击功而言, 与1号钢相比, 2号钢略低2.5 J,3号钢则要略高4.5 J。由冲击断口形貌可知(如图11所示), 其河流条纹自准解理面的中心向四周发散, 流至晶界处停止, 准解理面周围有韧窝存在。由其准解理条纹走向可知, 准解理条纹

22、终止于撕裂岭处, 各相邻图9试验钢的拉伸断口形貌:(a)1号钢;(b)2号钢;(c)3号钢Fig.9Tensilefracturemorphologyofthetestedsteels:(a)steelNo.1;(b)steelNo.2;(c)steelNo.3图10A点夹杂物形貌(a)及能谱(b)Fig.10Inclusionmorphology(a)andenergyspectrum(b)ofpointA图11试验钢冲击断口局部解理单元形貌:(a)1号钢;(b)2号钢;(c)3号钢Fig.11Cleavagefracturesofthetestedsteels:(a)steelNo.1;(

23、b)steelNo.2;(c)steelNo.338第35卷准解理条纹在撕裂岭处存在高度差。由于准解理组织的大小与试验钢的韧性有关, 尺寸越小表示韧性越好,而3号钢准解理区组织尺寸相对最小, 因此, 其是韧性则为三种试验钢中最好的。3结论1)随砷含量的增加, 45 钢中铁素体含量随之增加, 且较易形成晶内铁素体。2)测定不同含砷量45钢的CCT曲线, 获得了砷元素对45钢过冷奥氏体连续冷却转变过程中相变的影响规律。砷的加入缩短了贝氏体转变的孕育期, 使45钢的CCT曲线明显左移, 其Ms点温度随砷含量的增加而依次下降。3)45钢中少量的砷元素(<0.25%)对其强度和韧性的影响并不明显。

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