奥氏体高温转变区二段冷却速率对铁素体相变的影响.pdf

奥氏体高温转变区二段冷却速率对铁素体相变的影响１１奥氏体高温转变区二段冷却速率对铁素体相变的影响———ＥｆｆｅｃｔｏｆＴｗｏｓｔａｇｅＣｏｏｌｉｎｇＲａｔｅｏｎＡｕｓｔｅｎｉｔｅ－ｆｅｒｒｉｔｅＰｈａｓｅＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＴｒａｎｓｉｔｉｏｎＲｅｇｉｏｎ彭宁琦，唐广波，刘正东（钢铁研究总院结构材料研究所，北京１０００８１）———ＰＥＮＧＮｉｎｇｑｉ，ＴＡＮＧＧｕａｎｇｂｏ，ＬＩＵＺｈｅｎｇｄｏｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＣｅｎｔｒａｌＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）—摘要：采用Ｇｌｅｅｂｌｅ热力模拟机对ＣＭｎ钢热压缩变形后过冷奥氏体高温转变区进行二段冷却速率控制，通过冷却过程中施加微小应变，并根据应力一温度曲线，结合金相组织观察，研究了二段冷却速率对铁素体相变开始温度和相变组织的影响。结果表明：在过冷奥氏体高温转变区冷却相同时间，相对于连续冷却，当前段快冷，后段缓冷时，铁素体相变开始温度下降，相变的铁素体体积分数增加；当前段快冷速率为１００￣Ｃ／ｓ时，铁素体相变开始温度下降幅度能达到ＩＯ０￣Ｃ，铁素体体积分数增加近１倍。因此，应用前置式超快冷，并随后缓冷的冷却方式有助于提高铁素体转变量，并降低铁素体相变的温度，以细化铁素体晶粒。关键词：冷却速率；铁素体；相变；超快冷—ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１３．０９．００３．中图分类号：ＴＧｌ１１．６文献标识码：Ａ——文章编号：１００１４３８１（２０１３）０９００１１一Ｏ５—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｗｏｓｔａｇｅｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅｓｏｎｓｔａｒｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｅｒｒｉｔｅ—ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｔｒｅｓｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｕｒｖｅｓａｎｄｓｍａｌｌ———ｓｔｒａｉｎｓｉｎｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．ＴｈｅｔｗｏｓｔａｇｅｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅｏｆＣＭｎｓｔｅｅｌｉｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｚｏｎｅｏｆｄｅｆｏｒｍｅｄａｕｓｔｅｎｉｔｅｗａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙＧｌｅｅｂｌｅｔｈｅｒｍａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｏｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｆｅｒｒｉｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｔａｒｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｏｐｓａｎｄｆｅｒｒｉｔｅｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｈｅｎｔｈｉｓｗａｙ—ｏｆｆｒｏｎｔｆａｓｔｃｏｏｌｉｎｇａｎｄｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｓｌｏｗｃｏｏｌｉｎｇａｔｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｚｏｎｅｏｆＳＵｐｅｒｃｏｏｌｅｄａｕｓｔｅｎｉｔｅ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｏｏｌｉｎｇ，ａｎｄｗｈｅｎｒａｐｉｄｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅｓｏｆｌＯＯ％／ｓｉｎｔｈｅｐｒｅｃｅｄｉｎｇｓｔａｇｅ，ｄｅｃｌｉｎｅｏｆｆｅｒｒｉｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｔａｒｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃａｎｒｅａｃｈ１００￣Ｃａｎｄｆｅｒｒｉｔｅｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｉｓｎｅａｒｌｙｄｏｕｂｌｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｗａｙｏｆｆｒｏｎｔｕｌｔｒａｆａｓｔｃｏｏｌｉｎｇ（ＵＦＣ）ａｎｄｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｓｌｏｗｃｏｏｌｉｎｇｉｓｈｅｌｐｆｕｌｔｏｅｎｈａｎｃｅａｍｏｕｎｔｏｆｆｅｒｒｉｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｒｅｄｕｃｅｆｅｒｒｉｔｅｐｈａｓｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｆｉｎｅｔｈｅｆｅｒｒｉｔｅｇｒａｉｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅ；ｆｅｒｒｉｔｅ；ｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｕｌｔｒａｆａｓｔｃｏｏｌｉｎｇ钢铁的热连轧过程一般要经历由高温到室温的冷却过程。过冷奥氏体以不同冷却速率和冷却方式冷却时，将形成不同的相变产物（铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体等），获得不同的组织和性能。相比于层流冷却，超快冷充分发挥水的冷却效率，大幅度提高冷却能力。超快冷与层流冷却的综合应用，使冷速更能柔性化地被控制，成为现在控制冷却技术研究的热点ｌ＿】］。应用前置式（终轧后与层冷间）超快冷设备的热轧线现场，轧后经历短时超快冷再进入层冷，冷却速率发生很大变化。以往常通过实验室热模拟不同的恒定冷却速率下的组织演变情况作为现场控制冷却的依据］。为了研究应用前置式超快冷对铁素体相变的影响，本工作对过冷奥氏体高温转变区进行二段冷却，分析二段冷却速率对铁素体相变开始温度和相变组织的影响。１２材料工程／２０１３年９期１实验材料与方法实验用钢为一种ＣＭｎ钢，化学成分（质量分数／）如下：Ｃ０．２１，Ｎ０．０１６，Ｓｉ０．４１，Ｍｎ１．２４，Ｓ０．００５，Ｐ０．０１２，余量为Ｆｅ。采用Ｇｌｅｅｂｌｅ动态热力模拟试验机进行热压缩变形后的多段冷却速率控制。为获得超快冷却速率，将实验用钢机加工成（ｂ５１Ｔｉｍ×１０ｍｍ的圆柱。试样冷却过程中，将发生冷缩，为防止试样掉落，热压缩变形后给Ｇｌｅｅｂｌｅ的压头施加一个连续的微量位移（使压头的变形速率大于试样的收缩速率），以顶住试样。由于试样冷却过程中将发生相变，而不同相热变形时表现的变形抗力不同，因此，冷却过程中任何应力一温度曲线上的偏转都与微观组织的变化有关，偏转点对应的温度即为动态相变点ｌ＿９］。为此，设计本实验热力模拟的规程如图１（以实际模拟数据作示意图）和表１所示。暑矗口舌＝∽Ｔｉｍｅ／ｓ图１热模拟实验示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔ表１试样编号与热模拟实验工艺参数对照Ｔａｂｌｅ１Ｓａｍｐｌｅｎｕｍｂｅｒｓａｎｄｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｌ／ｌ／Ｔｌ／２／２／Ｔ２／Ｓ℃（・Ｓ）℃ｓ℃（・Ｓ－１）℃１８１１７００１８１０７００ｌ８８．３３７００１８５．５６７００１８２．７８７００１８０７００ｌ５１２．５６５０１５１５６００Ｗａｔｅｒｑｕｅｎｃｈｉｎｇｔｏｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ将试样以ｌｏ￣Ｃ／ｓ的速率加热到ｌＯＯＯ￣Ｃ保温５ｍｉｎ，℃使试样充分奥氏体化，然后以１０／ｓ的冷速冷却至９００ｏｃ，等温５ｓ消除试样内部的温度梯度，再以ｌＳ的应变速率进行压缩变形，变形量为５０，采用二段冷却速率冷却到Ｔ：温度后迅速淬火，第一段冷却的冷速为，冷却时间为ｔ，冷却后温度为Ｔ，第二段冷却的冷速为，冷却时间为ｔ，冷却过程中对试样压缩０．２ｍｍ，记录整个过程的时问、温度、应变和应力数据。将所有淬火试样沿加载方向切开，经镶样后研磨、抛光、４硝酸酒精腐蚀，制成金相试样。在光学显微镜下观察金相组织，选择合适的放大倍数，采集不少于２０个视场的观察区域，利用图像处理软件，定量分析各实验条件下的铁素体相含量。２结果与分析２．１动态相变开始温度的确定方法以试样Ａ７为例，对试样压缩变形后冷却过程中采集的温度、应力数据绘图，如图２所示。试样Ａ７的实验条件下，压缩后冷却过程中应变量随时间的增加（二段冷却的冷速一致）均匀增大，但应力一温度曲线上出现了明显的拐点。冷却过程的压缩变形，当铁素体形成时，应力一温度曲线开始偏离单相奥氏体应力的延伸线，并随着铁素体相变的不断进行，应力逐渐下降，这个拐点可确定为Ａ。温度。如果仅发生奥氏体向铁素体的转变，铁素体相变结束温度，ｆｆ后应力会开始较缓慢地上升，如图２中的虚线所示；如果一旦发生奥氏体向珠光体或贝氏体的转变，应力会开始急剧上升，可将此拐点确定为珠光体或贝氏体相变的开始温度Ａ和Ｂ。图２动态相变点的确定方法Ｆｉｇ．２ＭｅｔｈｏｄｔＯｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｔａｒｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ分析试样Ａ７的应力一温度曲线，过冷奥氏体铁素体相变开始温度Ａ。为８００￣Ｃ，珠光体相变开始温度℃Ａ为７７５，贝氏体相变开始温度Ｂ为７ｏｏ￣Ｃ。为验证确定的ＡＡ和Ｂ温度，以Ａ７试样同等的变形２奥氏体高温转变区二段冷却速率对铁素体相变的影响１５为铁素体相变过程是一个热激活过程，前段快冷时，使过冷奥氏体中空穴数目增多，这些空穴将会在界面处湮没，这样界面结构会变得更松散，即晶界位相角会有所增加，从而导致母相中原子通过热激活跃过界面进入新相所需克服的能垒（生长激活能）减小，增大铁素体的长大速率口；过冷度的增加，降低了临界形核功，增大了相变自由能，有利于铁素体相的形核和长大；前段快冷减少了形变奥氏体的回复程度，为铁素体相变提供更多的形核位置和更大的长大驱动力。当铁素体相变温度较低时，形核率和晶核长大速率随着原子扩散能力的降低而减小，所以，随前段快冷冷速的增大（后段冷速相应的减小），铁素体相变体积分数增加的趋势有所减缓。因此，应用前置式超快冷，并随后缓冷的冷却方式有助于提高铁素体相变的体积分数。℃Ｓｔａｒｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｆｅｒｒｉｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ／图７铁素体体积分数与相变开始温度的关系Ｅ２］［３］［４］［５］［６３［７］Ｅ８］［９］［１ｏ］Ｆｉｇ・７Ｒｅｌａｉ。ｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｆｅｒｒｉｅＶｏ１ｕｍｅｆｒａｃｔ｜ｏｎａｎｄ［１１ｆｅｒｒｉｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉ。ｎｓｔａｒｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ３结论（１）在冷却过程中施加应变，以应力一温度曲线的拐点确定动态相变开始温度的方法是可行的。（２）过冷奥氏体高温转变区，若以２个不同冷却速率冷却相同时间，相对于连续冷却的冷速和对应的铁素体相变体积分数，当前段快冷（大于连续冷却的冷速），后段缓冷时（小于连续冷却的冷速），铁素体相变开始温度下降，但铁素体相变的体积分数将增加。（３）应用前置式超快冷，并随后缓冷的冷却方式有助于提高铁素体转变量，并降低铁素体相变的温度，以细化铁素体晶粒。［１］参考文献王国栋．新一代控制轧制和控制冷却技术与创新的热轧过程［Ｊ］．—东北大学学报：自然科学版，２００９，３０（７）：９１３９２２．—ＷＡＮＧＧｕｏｄｏｎｇ．ＮｅｗｇｅｎｅｒａｔｉｏｎＴＭＣＰａｎｄｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｈｏｔｒｏｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：Ｎａｔｕｒａｌ—Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００９，３０（７）：９１３９２２．［１２］ＢＵＹＹＩＣＨＩＩＬＩＧ，ＡＮＥＬＩＩＥ．Ｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｕｓａｎｄｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓｏｆｅｕｒｏｐｅａｎｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆａｄｖａｎｃｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．—ＩＳＩＪＩｎｔｅｍａｔｉ０ｎａｌ，２００２，４２（１２）：１３５４１３６３．—ＳＵＮＹＫ，ＷＵＤ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｕｌｔｒａｆａｓｔｃｏｏｌｉｎｇｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｌａｒｇｅｓｅｃｔｉｏｎｂａｒｓｏｆｂｅａｒｉｎｇｓｔｅｅｌ［Ｊ３．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌ—ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｔｅｒｎａｔｉ０ｎａｌ，２００９，１６（５）：６１６５．李曼云，孙本荣．钢的控制轧制和控制冷却技术手册［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９０．王立军，蔡庆伍，余伟，等．低碳低合金钢的连续冷却相变组织—特征及其形成机制［Ｊ］．材料工程，２０１０，（８）：２９３３．——ＷＡＮＧＬｉｊｕｎ，ＣＡＩＱｉｎｇｗｕ，ＹＵＷｅｉ，ｅｔａｉ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ—ａｎｄｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｍｉｃｒ０ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｌｏｗｃａｒｂｏｎｌｏｗａｌｌｏｙｓｔｅｅｌｄｕｒｉｎｇｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｏｏｌｉｎｇｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，（８）：２９３３．吉玲康，张伟卫，高慧临，等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