低碳马氏体非调质钢中残余奥氏体的研究_图文

1、材料热处理技术 Material &Heat Treatment 2010年 5月非调质钢因 省去传统的 调质处理而 显示 出 节 能 、 节时 、 降低生产成本等多种优点 1。 随着人们对 钢材要求的不断提高 , 原有的铁素体 -珠光体钢 、 低 碳贝氏体钢很难满足高强韧性的要求 , 发展以马氏 体进行强化的高强度非调质钢成为一个主 要研究 方向 。 低碳板条马氏体具有高强度和良好的塑性与 韧性 , 是我们希望获得的理想组织 。 美国查帕尔钢 铁公司 Wright 2-3的研 究结果进 一步证实了 低碳马 氏体型非调质钢具有其他钢材无可比拟的优势 , 为 其大规模工业化应用奠定了基础

2、 。马氏体相变具有不完全性 , 总有一定数量的残 余奥氏体与马氏体伴生 。 残余奥氏体是高韧性相 , 它的存在有助于抑制裂纹的扩展 , 提高钢的塑性与 韧性 。 然而 , 对马氏体相变晶体学和形态学研究的 结果表明 4, 马氏体相变过程中母相奥氏体将发生 充分的塑性协调 , 导致 M/A界面处位错高密度塞 集 。 虽然回火或自回火能有效缓解由位错塞集引起 的应力集中 , 但可能导致碳化物从残余奥氏体中析 出而显著降低材料的塑性与韧性 。 本文在基本不改 变我国钢铁生产现有条件的情况下 , 利用较为廉价 的 Mn 、 Si 为主要合金元素 , 获得低碳马氏体非调质 钢 , 并研究了钢中残余奥氏体

3、对力学性能的影响 。1实验材料及方法实验用钢的化学成分如表 1所示 。 所用原料应 除锈 、 干燥 ; 钢的熔炼与浇铸过程均在 ZG-0.025型中 频感应真空熔炼炉中进行 , 以防止有害杂质和气体 的混入 , 减少合金元素在熔炼过程中的烧损 。 铸锭 质量为 15.5kg , 尺寸为 准 (80100 mm ×300mm 。低碳马氏体非调质钢中残余奥氏体的研究 李炜新(廊坊职业技术学院 机械工程系 , 河北 廊坊 065000摘 要 :残余奥氏体是非稳定的韧性相 , 其分布状态 、 含量以及稳定性对低碳马氏体非调质钢的性能具有重要的影 响 。 对成分在 0.1%0.2%C、 3.0

4、%3.5%Mn、 1.6%1.8%Si和 0.5%0.6%Cr的三种钢的显微组织和力学性能进行 分析测定 。 结果发现 :随碳含量的增加 , 残余奥氏体含量由 2.6%增至 8.6%, 且具有很高的热稳定性 , 造成低碳马氏体非 调质钢能够在保持高强度 (b >1380MPa 的同时具有很好的塑性 (5>12%。关键词 :残余奥氏体 ; 非调质钢 ; 马氏体 ; 热稳定性中图分类号 :TG142.1文献标识码 :A 文章编号 :1001-3814(201010-0080-03 Research on Retained Austenite in Low -carbon Non -qu

5、enched -tempered Martensite SteelLI Weixin(Department of Mechanical Engineering, Langfang Vocational Institute, Langfang 065000, China Abstract :The retained austenite is an unstable toughness phase, whose distribution, content and stability have an important effect on the mechanical properties of l

6、ow-carbon non-quenched-tempered martensitic steel. The microstructure and mechanical properties of three kinds of steel within the composition range of 3.0%3.5%Mn,1.6%1.8%Si0.5% 0.6%Cr,and 0.1%0.2%Cwere studied. The results show that the amount of the retained austenite increases from 2.6%to 8.6%wit

7、h the increase of the amount of carbon, and it has high thermal stability, so the low-carbon non-quenched-tempered martensitic steel possess very high strength (b >1380MPa as well as good plasticity (5>12%.Key words :retained austenite; non-quenched and tempered steel; martensite; thermal stab

8、ility收稿日期 :2009-10-26作者简介 :李炜新 (1962-, 男 , 河北固安人 , 副教授 , 主要从事金属材料 方面的研究及教学工作 ; 电话 E-mail:jiaowu2009表 1实验用钢化学成分 (质量分数 , % Tab.1Chemical composition of the testing steels (wt,% 钢号 C Mn Si Cr 1#0.113.041.830.59 2#0.183.531.620.51 3#0.203.591.630.5080Hot Working Technology 2010, Vol.39,No.

9、10 热加工工艺 2010年第 39卷第 10期材料热处理技术Material &Heat Treatment 下半月出版将铸锭加热至 1200 锻造成断面尺寸为 准 25mm 的棒材 , 然后空冷 。 在实验条件下 , 由于单件锻造 , 每种材料的锻造工艺很难控制一致 , 试样表面状态 很难做到完全均匀 。 为模拟钢厂钢材轧制的条件 , 对 锻后空冷的试样在 1000 ×30min 条件下重新奥氏 体化 , 根据材料成分采用空冷或水冷方式 , 以得到低 碳板条马氏体组织 。 为研究钢中残余奥氏体的稳定 性 , 分别在 300、 350、 400、 450和 500 进行回火

10、处 理 , 保温时间为 90min 。将钢制成 准 10mm 标准试样 , 采用上海计量仪 器制造有限公司的 SHT-4505型万能试验机进行力 学性能测定 。 采用 OLYMPUS-BH 型金相显微镜和Philips 公司的 TECNAI 透射电镜 进行 显 微 组 织 观察 ; 利用荷兰 Philips 公司的 XL-30型扫描电镜对样 品拉伸后的断口形貌进行分析观察 ; 利用日本理学 的 Dmax- 型 X 射线衍射仪 (Cu-K为辐射源 对样 品进行物相分析 , 测定条件为 :加速电压 40kV , 加速电流 100mA 。 根据 X-ray 衍射谱 , 分别以 和 两相的两个代表性衍

11、射峰 (211和 (311为参考 , 采用对比法由公式 (1求出钢中残余奥氏体含量 5-6。f =11+I C (1式中 :f 为残余奥氏体含量 ; I 为 (211衍射峰的积 分强度 ; C 为 相系数 ; I 为 (311衍射峰的积分强 度 ; C 为 相系数 。2实验结果与分析图 1是三种钢经不同工艺处理后的显微组织 。由于 1#钢碳含量很低 (0.11%, 因此 , 需快速冷却 (水 冷 才能获得低碳板条马氏体组织 。 随钢中碳含量 增加 , 并在 Mn 、 Si 、 Cr 等合金元素的配合下 , 钢的淬 透性提高 , 2#和 3#钢经 1000 ×30min 奥氏体化后 空

12、冷即可获得低碳板条马氏体组织 。表 2是三种具有低碳板条马氏体组织的钢的力学性能 。 可见 , 三种钢都具有很高的强度和很好的塑 性 , 特别是 3#钢具有 b =1703.7MPa 的高强度和 5=12.1%的良好塑性 , 并且在 -60 时仍具有 A k =11J的良好冲击韧性 。 这充分说明了低碳马氏体型非调 质钢的优势 。图 2是 3#钢 经 1000 ×30min 正 火 处 理 后 拉伸试样的断口组织 , 有较多的撕裂棱和明显的韧窝 , 再次证实了该钢具有好的塑性和韧性 。图 3是对应图 1中三种钢的 XRD 谱 。 可以看 出 , 虽然马氏体相的衍射峰很强 (图中标 “

13、 ” 的衍 射峰 , 但奥氏体相的衍射峰也比较清晰 (图中标 “ ” 的衍射峰 , 并且 , 随着钢中碳含量的增加 , 奥氏 体相的衍射峰增强 。 利用公式 (1可计算出三种钢 的残余奥氏体含量分别为 2.6%, 5.0%和 8.6%。 说明表 2实验用钢的力学性能Tab.2Mechanical properties of the testing steels钢号处理状态b /MPa 5(%A k /J 22 -60 1#1000 ×30min 淬火 1382.8 13.9/2#1000 ×30min 正火 1465.212.753223#1000 ×30min

14、正火1703.712.11811图 23#钢经 1000 ×30min 正火处理后拉伸试样的断口形貌Fig.2Fracture morphology of 3#sample after normalizationat 1000 for 30min81Hot Working Technology 2010, Vol.39,No.10材料热处理技术 Material &Heat Treatment2010年 5月Mn 、 Si 、 Cr 等合金元素与碳相互配合在提高钢的淬透性和稳定奥氏体方面的作用十分显著 。 残余奥氏 体一般以薄膜形式存在于板条马氏体之间 , 由于是 高塑性相

15、, 能够通过塑性变形吸收外界应力 , 在变形 时起到 “ 润滑 ” 作用 , 阻止或延缓马氏体中裂纹的萌 生 , 增强裂纹扩展抗力 , 从而使钢在具有高强度的同 时又有很好的塑性 7-8。图 4为 3#钢经不同工艺处理后的 XRD 谱 , 几 种处理状态的样品均表现出明显的奥氏体衍射峰 , 即使是经 450 回火 90min , 仍有较为明显的奥氏 体 衍 射 峰 存 在 , 这 说 明 残 余 奥 氏 体 的 热 稳 定 性 很 高 。 产生这一结果的主要原因是钢的合金化程度 高 , 增加了奥氏体的稳定性 , 使奥氏体不易分解 , 特 别是 Si , 在阻止板条马氏体中渗碳体的析出以及提 高

16、马氏体板条间奥氏体的稳定性方面起到了十分重 要的作用 9-10。通过对 3#钢 经 1000 ×30min 正 火 处 理 的 样 品在 -60 ×90min 条件下进行冷处理 , 发现钢中仍 有 4.46%的残余奥氏体存在 , 也说明了残余奥氏体 的热稳定性非常好 。最后 , 分别在 3#钢经 1000 ×90min 正火处理的拉伸试样断口部位和夹持部位进行 X 射线衍射 分析 , 结果表明 , 样品断 口处的残余 奥氏体量为2.17%, 而试样未变形的夹持位置残余奥氏体量为8.21%, 说明该钢在 1703.7MPa 强大的机械应力作用下 , 虽然有部分残余奥

17、氏体发生转变 , 但仍保留 了少量的残余奥氏体 , 可见其机械稳定性也很好 。3结论(1成 分 在 0.1%0.2%C 、 3.0%3.5%Mn 、1.6%1.8%Si和 0.5%0.6%Cr范围的马氏体型非调质钢因具有低碳板条马氏体组织和少量以薄膜形式 存在的残余奥氏体 , 在具有 b >1380MPa 高强度的 同时 , 仍保持 5>12%的良好塑性 。(2钢中残余奥氏体的热稳定性和机械稳定性很高 。 参考文献 :1董成瑞 , 任海鹏 , 金同哲 , 等 . 微合金非调质钢 M. 北京 :冶金 工业出版社 , 2000. 5-10.2Wright P H . Microallo

18、yed steels :a new generation J. Advanced Material Process , 1988, 134:29-34.3Wright P . Method for producing a precipitation hardenable martensiticlowalloysteelforgingP.USPatent :4824492, 1989-04-25.4Gu Nanju , Song Xiaoyan , Zhang Jianxin , et al . Effect of self-accommodation and plastic accommoda

19、tion in martensitic transfomations and morphology of martensites J. Metall. Mater. Trans. , 1995, A26:1979-1985.5范 雄 . 金 属 X 射 线 学 M. 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,1989. 159-163.6Durnin J , Ridal K A . Determination of retained austenite in steel by X-ray diffraction J. Journal of the Iron and Steel Institute , 1968, (1:60-67. 7刘东雨 , 方鸿生 , 白秉哲 . 残留奥氏体对 1500MPa 级新型 低 碳 Mn-Si-Cr 系合金钢冲击韧度的影响 J. 材料热处理学报 ,2002, 23(4:57-61. 8Bhadeshia H K D H , Edmonds D V . Tempered martensite embrittlement :role of retained austenite and cementite J. Metal. Sci. , 1979, (6:325-