mn系低碳贝氏体钢组织及性能的研究

mn系低碳贝氏体钢组织及性能的研究

低碳贝氏体钢具有良好的抗弯性和高价廉，可作为重要的结构材料。在c-mn-si系统中，低碳贝氏体钢的nm微金融化后，30mm厚钢板在水冷条件下可获得ys.690mma的断裂强度和acv-140j的最佳性能。扭转后的预处理，尤其是抗弯过程对小碳贝氏体钢的组织和性能产生了显著影响。这是提高小碳贝氏体钢综合力学性能的重要手段之一。目前，关于低碳贝氏体钢火山工艺的研究文献很多，主要集中在高强度低合金钢（hsla）。在分析过程中，我们探索了组织的变化，如将贝氏体板条的整合和分解、m-a岛的分解以及在火山过程中分离两个相，以实现最佳强度合作。此外，用回收工艺改良低碳贝氏体钢的低温耐寒性。目前尚不清楚如何改善低速贝氏体钢的低温耐寒性。本文以Ti-Nb微合金化的Mn系低碳贝氏体钢(LCMB)为研究对象,测试了回火温度对力学性能特别是低温韧性的影响,并利用金相、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)及电子背散射(EBSD)等显微分析手段对其回火组织进行研究,探讨了回火后低温韧性改善的机制.1-4拉伸和冲击实验实验用LCMB钢由中频感应电炉熔炼后浇注,锻造成80mm×80mm×120mm锻坯,终锻温度为900℃,锻坯经1200℃保温2h后在轧辊直径375mm,宽度375mm的轧机上进行4道次轧制轧制,开始轧制温度为1050℃,终轧温度为800℃,每个道次均控制变形量为21%,最终板厚为30mm.轧后立即进行水淬至400℃后,进行空冷至室温.LCMB钢的成分(质量分数,%)范围为:C0.04—0.08,Si0.6-0.9,Mn1.5—3.0,Nb0.02—0.03,Ti0.02—0.03,S和P均为痕量,Fe余量.回火处理在箱式电阻炉中进行,将轧后样品分别在280,400,460,520和600℃保温2h.拉伸实验在INSTRON1205拉伸试验机上进行.采用10mm×10mm×55mm的V型缺口标准冲击试样(缺口垂直于轧面方向),在不同温度下进行冲击实验.在NikonEclipselv-100金相显微镜(OM)和JSM-6301FSEM上进行组织观察.金相试样腐蚀液为2%硝酸酒精溶液.在JEM200CX透射电子显微镜(TEM)上进行TEM观察.TEM试样制备过程为:先将薄片试样机械减薄至30—40μm,用冲样器冲成直径3mm的圆片,再利用双喷电解减薄仪减薄成薄膜试样,双喷液为无水乙醇+5%高氯酸溶液,温度为-20—30℃,电流为30—50mA.为避免机械抛光造成的应力层可能对电子背散射(EBSD)信号的干扰,EBSD试样采取先机械抛光后在室温下进行电解抛光,电解抛光液为10%(体积分数)高氯酸酒精溶液,电压为20V,抛光时间为10—15s.2结果与分析2.1贝氏体板条尺寸的确定图1为LCMB钢经不同温度回火后的金相照片.由图1a可知,LCMB钢的轧态组织以贝氏体板条为主;贝氏体板条界面清晰可见,M/A岛断续分布在板条之间,若干贝氏体板条(lath)平行排列组成贝氏体板条束(block),一个原奥氏体晶粒里可形成若干贝氏体板条束.研究表明,贝氏体板条界为小角度晶界,位相差一般小于5°,板条束界面则为大角度晶界,位相差一般大于15°:每个板条束又由若干亚板条束(sub-block)组成,这些亚板条束的取向差一般在5°—10°之间.贝氏体钢的强度和韧性与板条尺寸和板条束尺寸有很大的关系,从图1a的金相照片难以确定贝氏体板条及板条束的尺寸,经SEM或TEM观察进行确定,贝氏体板条的平均宽度为0.2μm,板条束的平均尺寸为10μm左右.LCMB钢经过460℃回火2h后,M/A岛开始分解,贝氏体板条界面变得模糊,部分贝氏体板条合并粗化,如图1b中箭头1所示.经520℃回火2h后,显微组织中开始出现准多边形铁素体,如图1c箭头2所示,贝氏体板条进一步粗化.经600℃回火2h后,准多边形铁素体的比例明显增加,贝氏体板条粗化也十分明显,粗化的贝氏体板条尺寸约为5μm,如图1d中箭头3所示,同时观察到发生铁素体再结晶的迹象(图1d箭头4).2.2不同冲击韧性轧制态LCMB钢的抗拉强度为946MPa,屈服强度为726MPa.延伸率为15.7%.图2给出了LCMB钢板经过不同温度回火2h后的拉伸性能.由图可以看出,在280—460℃之间,随着回火温度的增加,抗拉强度有显著下降的趋势.屈服强度没有明显变化;经460℃回火后,抗拉强度由轧态的946MPa下降到781MPa,屈服强度仍保持在725MPa;460—600℃之间回火后,抗拉强度和屈服强度变化趋势相同,均为先降低再升高;延伸率随着回火温度的升高一直逐渐增加,经460℃回火后,延伸率达到19%.图3给出了LCMB钢在20℃和一40℃时的冲击韧性实验结果(轧态钢板在20℃和-40℃的冲击功分别为192和34J).由图可知,LCMB钢不论是轧态,还是经不同温度回火后,均表现出良好的室温冲击韧性,Charpy冲击功在170—200J之间;而在-40℃时,轧态和经过280和400℃回火后的冲击功下降至30—50J之间,表现出明显的低温脆性;而在460—600℃之间回火后,低温韧性得到显著改善,并在460℃回火后达到峰值(146J).图4示出了不同状态LCMB钢的宏观冲击断口形貌.由图4可知,各状态LCMB钢在20℃时的冲击断口均具有典型而完整的纤维区、放射区和剪切唇,纤维区和剪切唇所占比例很大,为典型的韧性断裂断口(图4a,c,e和g).-40℃时,轧态的宏观断口形貌基本上全为放射区,呈明显的脆性断裂(图4b);经过460,520和600℃回火后,纤维区和剪切唇比例增加,呈现韧性断裂(图4d,f和h).由图4e—h还可知,经过520和600℃回火后,在室温和-40℃低温下的冲击断口均出现层状撕裂现象,这与Charpy冲击功在高于460℃回火后出现下降倾向.综合以上分析认为,LCMB钢经460℃回火2h后具有最佳的强韧性配合,抗拉强度为781MPa,屈服强度725MPa,延伸率19.0%,室温Charpy冲击功200J,-40℃Charpy冲击功146J.2.3裂纹扩展路径与贝氏体板条束的关系选取轧态和经460℃回火后的LCMB钢板测定韧脆转变曲线,结果如图5所示.可以看出,在室温条件下,冲击韧性差别不大,即上平台冲击功(upper-shelfenergy,USE)基本相同;但经过460℃回火后,韧脆转变温度(ductile-brittletransitiontemperature,DBTT)由-18℃下降至-48℃.图6为轧态和经过460℃回火后的LCMB钢在-80℃下的典型冲击断口截面的SEM像.由图可以观察到解理裂纹扩展路径与组织的关系.对于轧态试样,单位裂纹扩展路径(unitcrackpropagationpath,UCP)的长度和贝氏体板条束的尺寸基本相当,平均长度约10μm(图6a);试样经460℃回火后,单位裂纹扩展路径的长度相对较短,平均长度约5μm(图6b),这意味着裂纹向前扩展时改变方向的次数增多.由于裂纹每次改变扩展方向时,都会消耗一定的能量,这种微观能量消耗的累加,在宏观上就表现为Charpy冲击功的提高.3样品组织及晶粒分布研究表明,上平台冲击功(Upper-ShelfEnergy,USE)主要取决于组织的类型、所占百分比和尺寸等;而韧脆转变温度(Ductile-brittleTransitionTemperature,DBTT)主要由有效晶粒尺寸决定,有效晶粒尺寸越小,DBTT越低.有效晶粒不同于原奥氏体晶粒,是指晶界(亚晶界)取向差大于15°的晶粒.当晶界取向差足够大,就可以阻碍裂纹的扩展,迫使裂纹改变扩展方向,有利于冲击韧性的改善.图5表明,LCMB钢在轧态和经460℃回火后,上平台冲击功相差不大,韧脆转变温度由-18℃下降至-48℃,因此认为LCMB钢经460℃回火后,有效晶粒尺寸发生了变化.为了分析有效晶粒尺寸的大小,首先利用EBSD观察了轧态和经460℃回火后组织的取向差(Misorientation)的分布,如图7所示,其中取向差大于15°的晶界由红色线标出.由图a和c可以看出,经460℃回火后,试样组织中的大角度晶界(大于15°)比例明显增加,由轧态的29.8%增加到44.7%.如果以不同临界取向差(thresholdmisorientation)定义晶粒,并利用等效圆直径法统计晶粒的大小,可以得到晶粒大小与临界取向差的关系,结果如图8所示.当临界取向差在2—5°之间时,轧态的晶粒尺寸小于经460℃回火后的晶粒尺寸,而临界取相差在10°—30°之间时,经460℃回火后的晶粒尺寸与轧态相比明显减小.大角度晶界比例的增加以及大角度取向差晶粒的细化有利于低温韧性的改善.图9给出了轧态及经460℃回火后LCMB的TEM像.可见,轧态组织为平行排列的贝氏体板条组成的板条束,贝氏体板条尺寸为0.2μm左右(图9a).衍射分析表明,一个贝氏体束内的板条间取向差不大,板条内存在大量高密度的位错.低碳贝氏体钢中的位错形态分为两类,一类是相互缠结成团的高密度位错区,位错上可以观察到细小的析出物;另一类是分布比较均匀,基本平行排列的位错列,上面看不到析出物.一般认为前者是在奥氏体变形时产生的,后者归因于贝氏体转变的体积效应在经460℃回火2h后,贝氏体板条发生明显的回复过程,即发生多边形化(图9b和c).由界面热力学可知,位相差较小的亚晶界合并为位相差更大的亚晶界时,可使界面能降低.贝氏体板条的合并是通过板条间位错的滑移和攀移进行的,部分位错先合并而形成Y结点(Y-junction,图9b),然后通过板条间Y结点的移动,使分叉的部分逐渐合并,得到无分叉的贝氏体板条,贝氏体板条间距增大,相邻板条间取向差增加.经460℃回火2h后,在贝氏体板条间析出少量的微合金元素碳化物(图9b和c),可阻碍Y结点的迁移,防止贝氏体板条的进一步长大.另外,相互缠结的高密度位错区的位错发生攀移,形成新的亚晶界(图9b),这些亚晶界和原贝氏体板条界面一样,也发生移动和合并,有利于亚结构的进一步细化.同时在460℃回火过程中,在贝氏体板条移动合并形成等轴状亚结构后,其内部位错密度很低,可以钝化裂纹尖端,阻碍裂纹扩展.4mn系低碳贝氏体钢的制备(1)回火温度对Mn系低碳贝氏体(马氏体/奥氏体)钢的显微组织有明显影响,LCMB钢轧态组织为粒状贝氏体和贝氏体板条的复合组织,经460℃回火2h后发生明显回复现象,M/A岛开始分解,贝氏体板条逐渐合并;经600℃回火