控轧控冷超低碳贝氏体钢的显微组织分析

控轧控冷超低碳贝氏体钢的显微组织分析

0组织本身的复杂性低碳贝氏体钢是一种新型的高强度和高耐寒钢，其组织形状和特点与传统的贝氏体钢有很大不同。如何判定钢中组织,进而根据组织特征的研究为合金设计及控轧控冷工艺的改进指出方向,对于超低碳贝氏体钢来说都是需要解决的问题,加之国内外有关学者对超低碳贝氏体钢有不同的理解,讨论组织时采用不同的术语,引起了概念上的一些混乱。况且超低碳贝氏体钢组织判定的困难或不同见解,还起源于该组织本身的复杂性,这是由于:(1)在未再结晶区控制轧制和加速冷却形成了细小的晶粒和高的位错密度,同时变形也引起了组织的变化,使组织难以分辨;(2)很低的碳含量使贝氏体转变温度上升,在相变同时还伴随着明显的回复过程,所得的组织与经典的贝氏体有很大的差异,使超低碳贝氏体概念有很多不确定性;(3)连续冷却形成的组织是渐变的,在各种典型组织之间有很多过渡形态。因此不同的研究人员对同一组织往往得出不同的结论,即使同一个研究小组,也会因钢种或时间不同有不同的判定。为了明确阐述超低碳贝氏体钢组织特征和其形成机理的特点,作者对新开发的两阶段轧制工艺生产的高强韧耐沿海大气腐蚀钢的纵向、横向、轧件心部、轧件表面组织进行了分析对比研究,总结了超低碳贝氏体钢轧件不同方向上的显微组织特点,反映超低碳贝氏体钢显微组织复杂性、多变性,为研制开发以贝氏体加少量铁素体为基体组织的超细复合组织钢提供试验研究依据。1化学成分的添加试验用钢为屈服强度在600MPa以上级别的超低碳贝氏体钢,在真空感应电炉中冶炼,共计10炉钢;钢的成分为在C-Mn-Si钢的基础上添加改善耐蚀性或提高强韧性的合金元素。以1#钢的成分为基准,添加了铜、铬、镍、铌、钼、铝、硼、磷等元素,2#～10#钢合金元素的添加差别较小,其中1#～3#钢化学成分见表1。将钢锭热锻成厚度为80mm的热轧坯,锻压加热温度为1200℃。轧制试验采用两阶段控轧控冷工艺,第一阶段为五道次轧制,开轧温度1150℃,终轧温度980～1000℃,总变形量70%;第一阶段轧制完成后,空冷至965～950℃,进行第二阶段六道次轧制,累积变形量75%,终轧温度800～850℃,终轧完了空冷至780·℃,再以15～20℃/s的冷速水冷至室温;成品板厚度6mm。在6mm的钢板上切割出金相试样,经磨制、机械抛光后用3%的硝酸酒精溶液浸蚀,用Neophot21型光学显微镜和CambrigeS-360型扫描电镜对钢板的纵向、横向、心部、表面试样进行显微组织观察与分析。2试验结果与分析2.1贝氏体在主要组织的钢中的分布由图1可见,原奥氏体晶粒沿轧向被轧成扁平状,晶界清晰可见,原奥氏体晶粒宽度在6～13μm之间;钢板的轧态组织主要为粒状贝氏体、板条贝氏体及部分多边形铁素体;单从光学显微组织上很难区分粒状贝氏体和板条贝氏体,通过SEM可以清楚发现,除5#钢以板条贝氏体为主外,其余几种钢均以粒状贝氏体为主,在贝氏体基体上分布着少量的多边形铁素体;在以板条贝氏体为主的5#钢中发现,在一个原始的奥氏体晶粒内可见到明显的分区现象,各个分区边界清楚,在一个贝氏体区内,大量板条方向一致,互相平行,称之为一个贝氏体束,一个贝氏体板条宽度在0.7～1.2μm,长度在6～9μm,在原奥氏体晶粒内分布着一些体积分数(下同)约20%的多边形铁素体;以粒状贝氏体占主要组织的钢中,在奥氏体晶粒内沿轧向分布着许多条带状的贝氏体组织,其分布没有方向性,边界不清晰,在光学显微组织中容易与板条贝氏体边界混淆,在粒状贝氏体基体上分布着约占5%～10%的多边形铁素体和很少量的板条贝氏体。无论是以粒状贝氏体还是以板条贝氏体为主要组织的钢中,都有一定数量的块状多边形铁素体沿晶内分布,在光学显微组织中呈亮白色,边界清晰,与周围的贝氏体有一定的衬度差,凹凸不平,呈高度的不规则,多边形铁素体基体上偶然也可见马氏体/奥氏体岛。钢中都有一定数量的马氏体/奥氏体小岛,其中2#、3#钢小岛的数量相对于其它钢来说较多,马氏体/奥氏体小岛以粒状或条状分布于晶内或晶界上,总体上分布较均匀(图中A为板条贝氏体;B为板条亚晶界;C为原始奥氏体晶界;D为多边形铁素体;E为粒状贝氏体;F为马氏体/奥氏体岛)。2.2晶粒形态及尺寸由图2可见,横向组织的方向性没有纵向明显,组织由贝氏体和多边形铁素体组成,数量不多的马氏体/奥氏体小岛分布于贝氏体基体上。5#钢中原奥氏体晶界较清晰,奥氏体长宽比在2～3之间,沿横向呈长条状分布,原奥氏体晶粒内有5%～10%左右的不规则、呈白色的多边形铁素体,也呈长条状分布;由于试验条件有限,轧件变形不均造成奥氏体晶粒大小差别较大,小的晶粒尺寸有6～15μm,大的有20～35μm,从5#钢横向SEM形貌中可以看出马氏体/奥氏体小岛数量较多,沿贝氏体基体分布较均匀。而其余钢粒状贝氏体的特点较明显,粒状贝氏体是介于多边形铁素体和板条贝氏体范围内形成的,也属于中温转变产物,只是形成温度稍高;粒状贝氏体中小岛接近于粒状或等轴形状,分布比较混乱,没有规律和方向性,无论是光学还是SEM组织中,原始奥氏体晶界均模糊不清,在粒状贝氏体基体上分布着少量的多边形铁素体,在SEM组织中马氏体/奥氏体小岛数量不多,分布均匀弥散。2.3小样本中细胞的组织变化由图3可见,除5#钢主要以板条贝氏体外,其余钢表面与心部组织主要由粒状贝氏体和多边形铁素体组成,但表面组织中,粒状贝氏体明显比心部要细小弥散,粒状贝氏体基体上分布很少量的多边形铁素体,由于基体是混乱粒状贝氏体,因而原奥氏体晶界不清晰;心部组织中多边形铁素体相对较多,原奥氏体晶界较清晰,这主要是由于表面与心部存在温差,心部温度高,在心部先共析铁素体数量较多,而轧坯表面温度低,直接发生了粒状贝氏体转变。根据以上对试验钢轧件纵向、横向、表面、心部组织的观察,可知超低碳贝氏体钢的形态主要可分为粒状贝氏休和板条贝氏体,在光学显微镜下具有以下特点:隐约可见的板条轮廓;基体上有富碳的岛状组织,其排列有一定规律;有时具有极不规则非等轴的任意取向的晶粒外形。粒状贝氏体和板条贝氏体的区别在于岛的形状,前者的小岛呈粒状,分布于板条间,而后者的小岛有明显拉长的趋势,以条状分布于板条间。此外,典型的板条贝氏体很长,板条的特征很明显,而粒状贝氏体尽管转变时从奥氏体析出的铁素体也是板条状,但由于形成温度高,位错结构发生了明显的回复,使原始的板条界有消失的迹象,所以有时光学组织下的板条界不太清晰。当然,位错结构的回复在板条贝氏体中也存在,只是程度较为轻微。看来,粒状贝氏体和板条贝氏体只有在两个极端的温度下才有明显的差异,而处于中间过渡温度时很难截然分开,因此从产品检验的目的出发,不必区分两类贝氏体。如试样中某种贝氏体特别明显,则可注明,一般情况下可统称为贝氏体。扫描电镜下由于放大倍数高,贝氏体内部的板条及小岛特征更为清晰,贝氏体和铁素体的差别也比光学显微镜下明显。由于超低碳贝氏体钢连续冷却时所得的是多相混合组织,包含了从多边形铁素体到板条贝氏体的各种组织,判定时为了全面反映组织,往往同时标上了所有可能出现的组织,如多边形铁素体、粒状贝氏体、板条贝氏体、珠光体、马氏体/奥氏体等等,这样的判定没有分清主次,也难以反映材料真实的组织特征;实际上,各类组织是连续形成的,难以截然分开,建议:(1)根据奥氏体连续冷却转变曲线的特征,把组织分成铁素体和贝氏体两类;(2)要分清主次,在组织定量分析有困难时,应说明何者是主要的,如有可能给出大致的估计量;(3)应注明富碳奥氏体转变产物的性质,是大块的高温共析转变产物珠光体,还是岛状马氏体/奥氏体或退化珠光休、贝氏体。除组织类型外,晶粒大小、均匀度(或混晶特征)、岛状物的特征、带状组织等对材料性能有重要影响,有些情况下,这些组织要素对性能的影响可能超过了组织类型的作用,所以产品检验时要全面关注这些组织要素。3精细结构和组织分布(1)超低碳贝氏体钢连续冷却时的组织是多相混合组织,包含多边形铁素体、粒状贝氏体、板条贝氏体、马氏体/奥氏体岛等,扫描电镜下粒状贝氏体和