低合金超级贝氏体钢组织形态的研究.pdf

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第22卷第5期2014年10月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYllVol22lll5Oct.2014低合金超级贝氏体钢组织形态的研究吴化,张翠翠,梁言,刘云旭(长春工业大学先进结构材料教育部重点实验室,长春130012)摘要:针对贝氏体研究中的超级贝氏体组织,设计了试验用钢70MnSi2CrMo,经低温等温处理,获得贝氏体铁素体+残余奥氏体的组织,利用X射线衍射XRD、扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM等仪器对其进行相组成和形态的检测分析.结果表明:在马氏体转变开始温度Ms点稍上的中低温区等温处理,贝氏体铁素体沿γ相晶界转变,无碳化物析出;α相转变排碳导致成分起伏,α/γ交界处过冷奥氏体稳定性增加,难以转变成马氏体;贝氏体铁素体的转变特征、过饱和的碳浓度、高密度位错、以及纳米尺寸相界面和亚结构等,影响着超级贝氏体钢的力学性能.关键词:超级贝氏体;贝氏体铁素体;残余奥氏体;组织;转变温度中图分类号:TG113.12文献标志码:A文章编号:1005-0299(2014)05-0102-06⁃StudyonmicrostructureofthelowalloyingsuperbainiticsteelWUHua,ZHANGCuicui,LIANGYan,LIUYunxu(KeyLaboratoryofAdvancedStructuralMaterials,MinistryofEducation,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012,China)Abstract:Theexperimentalsteel70MnSi2CrMowasdesignedforthepurposetoobtainbainiteferriteandretainedaustenitemicrostructurebyisothermaltreatmentatlowertemperature.ThemicrostructureandphasecompositionofthetreatedsteelwereinvestigatedbyXRD,SEMandTEM.Theresultsshowedthatthephasetransformationofthebainiteferritegeneratedalongthegrainboundaryofthephaseγwhentheemployedtemperaturewasoverthemartensitestarttemperature(Ms),withnocarbideprecipitation.Simultaneously,theinhomogeneouscompositiondistributionintheαphasewasobtainedforthedischargingofcarbonatoms,therefore,themartensitewasdifficulttogeneratefortheincreasingstabilityoftheundercoolingausteniteattheedgeofαandγphases.Generally,thetransformationbehaviorofbainiteferrite,oversaturatedcarbonconcentration,highdislocationdensity,andthenanoscalephaseinterfaceandsubstructuregeneratedbetweenbainiteferriteandretainedaustenite,arethefactorsaffectingthemechanicalpropertiesofsuperbainiticsteel.Keywords:superbainite;bainiteferrite;retainedaustenite;microstructure;transformationtemperature收稿日期:2013-06-18.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51171030).作者简介:吴化(1957-),男,博士,教授.通信作者:吴化⁃,Email:wuhua57@163.com.英国剑桥大学Bhadeshia工作组在含硅低合金钢中发现的新型贝氏体组织因具有较高的综合力学性能,而受到人们的关注[1-4].该类钢经奥氏体化后在低温下长时间等温(数小时~数十天)可获得由针状铁素体+薄膜状残余奥氏体构成的组织,其强度可达到2500MPa,韧性大于30~40J[5].与传统贝氏体的力学性能相比较,无论是强度还是韧性,均有显著提高[6].为有别于其它贝氏体钢种,将具有上述显微组织特征的钢称为超高强度贝氏体钢(UltrahighstrengthBainiticSteels)或超级贝氏体钢(superbainiticSteels),其组织称为超强低温贝氏体(Verystronglowtemperaturebainite)或超级贝氏体⁃(superbainitie).由于超级贝氏体与传统贝氏体在组成相和力学性能上存在着较大差别,研究工作结合已有贝氏体的研究成果对超级贝氏体的形成温度、组成相及其力学性能之间的关系进行了探讨.1试验材料及方法根据合金元素对钢的过冷奥氏体等温转变曲线即“”C曲线的影响规律,以及合金元素对超级贝氏体组织构成的影响[8-9],以C、Mn、Si为主,外加少量Cr、Mo等合金元素,设计了试验用钢,成分如表1.经真空感应炉熔炼后轧制成尺寸为10mm×10mm×500mm方棒.用电火花切割设备按需要截取一定长度做为试验样品,按理论计算得到的钢的Ms[7]点制定等温热处理工艺:加热至℃900,保温30min,以℃20/s的冷却速度空冷至不同温度,进行不同时间的等温处理:(a)分别在℃300、220等温1h后空冷至室温;(b)在℃220等温10h后空冷至室温.表1试验钢的化学成分CSiMnCr0.69~0.731.8~2.01.6~1.80.5~0.7MoSPFe0.2~0.25﹤0.02﹤0.01余量将热处理后的试样利用EPIPHOT300型光学显微镜和SUPRA40型场发射扫描电镜观察其显微组织形态,比较了等温温度不同时对贝氏体组织形态变化的影响;结合D/MAX2000/PC型X射线衍射仪对样品的检测结果,对不同热处理条件下得到的贝氏体组织的构成进行了分析;采用JEM-2000EX型透射电镜对样品的微观形貌观察和衍射斑点标定,确定了超级贝氏体组织中铁素体与残余奥氏体各自存在及分布位置;通过对贝氏体的形态、组成及其分布特点的观察分析,探讨了其对超级贝氏体钢力学性能影响的机制.利用YJ-30液压万能试验机和摆锤式冲击试验机对等温处理样品进行了力学性能检测.2试验结果2.1转变温度对贝氏体形态及组成的影响传统研究将钢中贝氏体按形成温度及碳化物析出位置的不同主要分为上贝氏体和下贝氏体两种形态,如图1(a),(b)所示.在A1以下温度中温转变区的较高温度下等温,过冷奥氏体转变为上贝氏体,典型形态为羽毛状(图1(a)),铁素体条片平行排列呈羽毛状分布,碳化物呈粒状分布于铁素体条间;伴随等温温度的降低,经℃350等温处理后,贝氏体的形貌由高温下℃(450)的羽毛状转至为针状或单凸透镜状.此时,受温度对碳原子扩散能力的影响,在铁素体针内部,与铁素体主轴呈55°~60°角析出了碳化物(图1(b)).这两种贝氏体形态被认为是在一般的钢中过冷奥氏体中温等温处理时得到的典型组织形态,其形成机理和条件已被认同[10-12].(a)450℃(b)300℃5μm5μm图165Mn钢奥氏体化后经不同温度等温处理得到的SEM形貌与上述上、下贝氏体形态有所不同,将设计的试验钢种在稍高于Ms点温度等温处理,得到的贝氏体组织形态如图2所示.两者均为针状,由于等温处理温度不同,低温下针状组织更细一些(图2(b)).该组织形态有别于上贝氏体羽毛状形态,虽与下贝氏体形态相似均为针状,但在针状铁素体内部没有碳化物的析出(图2(c),(d)).对比试验钢与传统钢中等温处理得到的贝氏体组织可以看出,两者不仅在形态上有区别,在组成相上也有不同.上、下贝氏体主要由贝氏体铁素体+碳化物+少量残余奥氏体组成,而试验钢中的贝氏体则由贝氏体铁素体+残余奥氏体组成,没有碳化物的析出.对等温处理样品做XRD衍射分析,没有发现碳化物的衍射峰值,只出现了α相和γ相的衍射峰,如图3所示.而碳化物的存在与否,对钢的力学性能,特别是塑性和韧性会产生明显降低的影响.从等温处理的条件分析,随等温温度的降低,贝氏体铁素体的形态由羽毛状→针状→细针状;钢中碳的扩散速度随温度降低而下降的结果,导致碳化物析出的位置变化为:贝氏体铁素体条间→贝氏体铁素体针内部→无碳化物析出;组织中残余奥氏体量增多.·301·第5期吴化,等:低合金超级贝氏体钢组织形态的研究(a)300℃等温1h处理后的OM图片(b)220℃等温1h处理后的OM图片(c)300℃等温1h处理后的SEM图片(d)220℃等温1h处理后的SEM图片5μm10μm10μm1μm图270MnSi2CrMo钢℃900奥氏体化后经不同温度等温处理后的显微组织2.2超级贝氏体组织的组成相根据文献与本研究工作[13],将在Ms点稍上温度等温处理由过冷奥氏体转变而得到的(贝氏体铁素体+残余奥氏体)组织称之为超级贝氏体(super-bainite).该组织的形成温度、组织结构及力学性能与其他贝氏体[14-15]的不同之处为:1)贝氏体形成的等温温度低,在Ms点稍上温度,故也有称之为超强低温贝氏体的⁃(Verystronglowtemperaturebainite);2)贝氏体中的显微组织结构超细化,其亚结构甚至达到纳米数量级别,也有称之为纳米贝氏体的(nanostructurebainiticsteel)[16-17];3)具有很好的强韧性力学性能[1-5].在超级贝氏体组织中,组成相的构成与各自的分布状态决定了其高强韧性的性能特点.由于形成温度与一般贝氏体的Bs点相比较明显降低,过冷奥氏体中碳的扩散受到了阻碍,在发生γ→α转变时一般是以半切变半扩散的方式进行[18],切变的结果使贝氏体铁素体(α相)与过冷奥氏体(γ)保持着共格或半共格的关系,同时含有比平衡相铁素体多的过饱和的碳;扩散的结果使碳在贝氏体铁素体中的过饱和度低于在马氏体中的过饱和度,也导致贝氏体铁素体/过冷奥氏体界面处奥氏体中的碳含量增高(高于平均值),这种微观上的成分起伏是此处过冷奥氏体稳定性增加的主要原因,也决定了在超级贝氏体中没有碳化物的析出.试验中,在℃300~220等温处理时,由于温度高于钢的Ms点且不是连续冷却,得到的α相不是马氏体组织,而是贝氏体铁素体,从其显微形态上看是单凸透镜状不是高碳马氏体的双凸透镜状,如图2所示.图3XRD分析结果显示除α相外,组织中还有一定数量的γ相即残余奥氏体组织.综上分析,超级贝氏体组织的组成相是贝氏体铁素体和残余奥氏体.20304050607080902θ/(?)(a)(b)(a)300℃等温1h;(b)220℃等温1h(111)γ(110)α(200)γ(200)α(211)α(220)γα-Feγ-Fe图370MnSi2CrMo钢℃900奥氏体化后经不同温度等温的XRD衍射图谱2.3超级贝氏体组织的形成机制分析与传统贝氏体组织不同,在超级贝氏体组织转变过程中没有碳化物的析出,根据等温温度和时间的变化,其中残余奥氏体的数量和分布位置也会发生变化.随等温温度的降低和时间的延长,贝氏体铁素体愈加细化(图2(a)与图2(b)比较),数量增多,符合过冷度增大,新相形核率增加的理论.而贝氏体铁素体的形核首先应是在过冷奥氏体的晶界处以切变方式进行,继而受温度和碳在α相中的溶解度影响,向其前沿排出一定·401·材料科学与工艺第22卷数量的碳,导致与α相接触的周边过冷奥氏体稳定性增加,而与之相邻的具有平均碳浓度的过冷奥氏体又会发生γ→α的转变.按照这样的转变机制,在针状贝氏体铁素体形成的同时,其针之间应存在着残余奥氏体.试验结果证实了这一点,如图4和图5所示.2μm图470MnSi2CrMo钢经℃220等温10h的组织中贝氏体铁素体沿奥氏体晶界形核并长大200nm(b)贝氏体铁素体电子衍射斑(a)TEM组织形貌(131)γ(220)γ(110)α(020)α(111)γ(101)αAR图5试验钢℃220等温10h的TEM组织形貌及电子衍射斑标定图4为试验用钢中沿平直的过冷奥氏体晶界形核并长大的贝氏体铁素体,图5为超级贝氏体组织的透射电镜形貌像和电子衍射斑点像,衍射斑点标定结果表明,在贝氏体铁素体针片之间存在着残余奥氏体.从图2、4、5中还可以看出,贝氏体铁素体具有多次亚结构的形貌特征.它可以根据激发形核一台阶生长机制解释[19].当转变温度较高时,贝氏体激发层次少,此时可能仅由亚片条或单一片条的贝氏体构成,如图1;随着等温温度的降低,激发层增多,且溶质原子的扩散系数降低.由于体心立方铁素体亚单元比容较大,相变产生体积膨胀导致畸变应力而阻碍亚单元继续长大,因此当亚单元长大受阻时再激发形核,形成新的亚单元核心,这种亚单元的重复长大,在减小亚片条尺寸的同时增加了数量,促使贝氏体铁素体变细,条间距也随之减小,亚结构更加细化,呈膜状发展,而且受铁素体单元的压应力以及排碳作用,过冷奥氏体越发稳定并最终存留下来,在贝氏体铁素体内部构成(α+富碳γ)组织.这种现象在低碳的板条状和高碳的针状贝氏体铁素体中均会出现如图5(a).针片之间残余奥氏体“膜”的厚度为纳米尺寸,针片内的残余奥氏体为纳米尺寸,这也是其被称之为“”nanostructurebainiticsteel的原因之一.从高倍形貌像和衍射斑点标定分析结果看,均未发现碳化物的析出.贝氏体铁素体针片内部存在有高密度位错图6所示.dislocation100nm图6试验钢中贝氏体铁素体中的位错(TEM像)从上述对超级贝氏体组织的形成机制分析可以看出,超级贝氏体的良好强韧性配合与其显微组织结构密切相关.与常规上、下贝氏体相比较,超级贝氏体组织中无碳化物析出;与粒状、无碳化物贝氏体相比较,其组织中无M/A小岛组织,减少了脆性相的存在数量.而碳化物的不析出,导致贝氏体铁素体中碳呈过饱和状态,加之其中的高密度位错,以及纳米尺寸的α/γ相界及亚结构(大角晶界等)等,决定了超级贝氏体组织具有高的强度;而贝氏体铁素体针间及其内部分布的残余奥氏体,受转变温度及其成分起伏(α相形成时的排碳所致)影响稳定性增加,降低了随后温度下降时形成马氏体的可能性.残余奥氏体组织在应力作用时可以通过塑性变形缓解应力集中或减轻微裂纹的产生,在α/γ相界处对微裂纹的扩展还有阻碍作用,即残余奥氏体的存在及分布形式决定了该类钢的韧性.图7与表2为试验钢经等温处理后获得的拉伸和冲击试验数据,与碳含量相近的贝氏体钢[20-21]相比较,超级贝氏体钢有着良好的强韧性配合.·501·第5期吴化,等:低合金超级贝氏体钢组织形态的研究表2几种贝氏体钢的处理工艺和力学性能试样编号CompositionUTS/MpaAkv/JAkv/(J·cm-2)热处理过程15SiMn2CrNiAl20311518.8℃900奥氏体1h后至℃235等温16h28MnSi2CrWAl23757.8/℃1000奥氏体化0.5h后至℃220等温24h试验用钢70MnSi2CrMo2078922.8℃900奥氏体化0.5h,空冷至℃220等温10h200016001200800400012345678910ε/%σ/MPa图7试验钢经℃200等温10h应力应变曲线3结论1)将试验钢经奥氏体化后在稍高于Ms点的低温区等温处理,得到了贝氏体铁素体+残余奥氏体的显微组织,由于没有碳化物的析出和未发生马氏体转变,将其组织称为超级贝氏体组织.2)受转变温度的影响,贝氏体组织中的贝氏体铁素体以半切变半扩散的方式沿γ相晶界发生转变,α相排碳的结果在贝氏体铁素体针内部形成多个铁素体亚单元,在铁素体针之间和铁素体亚单元之间,分布着残余奥氏体膜,其尺寸达到纳米尺寸.3)在上述超级贝氏体组织中,贝氏体铁素体与母相的半共格关系、过饱和的碳含量、针片内部的高密度位错、纳米尺寸的α/γ两相之间的界面或亚结构(大角晶界)等,使钢的抗拉强度达到2078MPa;而残余奥氏体的存在及分布形式决定着钢的韧性,冲击韧性值达22.8J/cm2.参考文献:[1]⁃CABALLEROFG,MILLERMK,GARCIAMATEOC.Carbonsupersaturationofferriteinananocrystallinebainiticsteel[J].ActaMaterialia,2010,58:2338-2343.[2]SAHAPODDERA,BHADESHIAHKDH.Thermalstabilityofausteniteretainedinbainiticsteels[J].MaterialsScienceandEngineeringA,2010,527:2121-2128.[3]徐光,操龙飞,补丛华,等.超级贝氏体钢的现状和进展[J].特殊钢,2012,33(1):18-21.XUGuang,CAOLongfei,BUConghua,etal.Status⁃andProgressofSuperBainiticSteels[J].SpecialSteel,2012,33(1):18-21.[4]胡锋.低温超级贝氏体钢的相变[D].武汉:武汉科技大学硕士论文,2011.HUFeng.LowTemperatureSuperBainiticSteels[D].Wuhan:WuhanUniversityofScienceandTechnology,2011.[5]CABALLEROFG,BHADESHIAHKDH.Verystrongbainite[J].SolidStateandMaterialsScience,2004,8:251-257.[6]徐祖耀.贝氏体相变简介[J].热处理,2006,21(2):1-20.XUZuyao.⁃ABriefIntroductiontoBainiticTransformation[J].HeatTreatment,2006,21(2):1-20.[7]LIUCheng,ZHAOZhenbo,DEREKON,etal.AnewexpiricalforthecalculationofMstemperaturesinpure⁃ironandsuperlowcaibonalloysteels[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2001,113:556-562.[8]WUHua,LIUCheng,ZHAOZhenbo.Designof⁃aircooledbainiticmicroalloyedsteelforaheavytruckfrontaxlebeam[J].MaterialsandDesign,2006,27:651-656.[9]吴化.低合金高强度高塑性复相钢材的成分设计[D].上海:东华大学博士论文,2007.WUHua.CompositionDesignofLowalloyHighStrengthandPlasticityComplexPhasesSteels[D].ShangHai:DongHuaUniversity,2007.[10]KANGMokuang,ZHANGMingxing,ZHUMing.Instiuobservationofbainitegrowthduringisothermalholding[J].ActaMaterialia,2006,54:2121-2129.[11]王玮,刘庆锁,严泽生,等.Fe-1.44%C-1.52%Cr-0.32%Si-0.62%Mn超高碳钢中温相变特征研究[J].材料科学与工艺,2013,21(3):63-68.WANGWei,LIUQingsuo,YANZesheng,etal.TransformationcharacteristicofFe-1.44%C-1.52%Cr-0.32%Si-⁃0.62%Mnultrahighcarbonsteelinmediumtemperature[J].MaterialsScienceandTechnology,2013,21(3):63-68.[12]高绪涛,孙蓟泉,赵爱民,等.贝氏体区等温时间对TRIP钢残奥及力学性能影响[J].材料科学与工艺,2011,19(6):123-128.GAOXutao,SUNJiquan,ZHAOAimin,etal.Effectof⁃austemperingisothermaltimeatbainitefieldonretainedausteniteandmechanicalpropertiesinTRIPsteel[J].·601·材料科学与工艺第22卷MaterialsScienceandTechnology,2011,19(6):123-128.[13]LIUCheng,WUHua,LIUYunxu.Mechanical⁃propertiesofhighstrengthquenchedsteels⁃withminuteamountsofferrite[J].MaterialsandDesign,1998,19(5-6):249-252.[14]冯春,方鸿生,白秉哲,等.0.02%Nb空冷仿晶姐型铁素体/粒状贝氏体复相钢的相变及强韧性[J].金属学报,2010,46(4):473-478.FENGChun,FANGHongsheng,BAIBingzhe,etal.ActaMetallurgicaSinica,2010,46(4):473-478.[15]SIDHUG,BHOLESD,CHENDL,etal.Animprovedmodelforbainiteformationatisothermaltemperatures[J].ScriptaMaterialia,2011,64:73-76.[16]补丛华,徐光,邹航,等.亚纳米超细贝氏体钢的组织和性能[J].材料热处理学报,2012,33(9):89-94.BOConghua,XUGuang,ZOUHang,etal.⁃Microstructureandpropertiesof⁃⁃subnanoultrafinebeinitesteel[J].TransactionsofMaterialsandHeatTreatment,2012,33(9):89-94.[17]⁃GARCIAMATEOC,CABALLEROFG,MILLERMK,etal.Onmeasurementofcarboncontentinretainedausteniteinananosturedbainiticsteel[J].JMaterSci,2012,47:1004-1010.[18]康沫狂,张明星,刘峰,等.金属合金等温相变的体激活能及相变机制I.钢的中温(贝氏体)等温相变[J].金属学报,2009,45(1):25-31.KANGMokuang,ZHANGMingxing,LIUFeng,etal.Overallactivationenergyofisothermaltransformationinmetalalloy[J].ActaMetallurgicaSinica,2009,45(1):25-31.[19]方鸿生,薄祥正,郑燕康,等.贝氏体组织与贝氏体钢[J].金属热处理,1998,(11):2-7.FANGHongsheng,BOXiangzheng,ZHENGYankang,etal.BainiticMicrostructureandMn-BBainiticsteels.HeatTreatMetall,1998,(11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