微合金化中碳钢在连续冷却条件下的组织转变外文翻译资料

 2023-01-31 11:52:41

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微合金化中碳钢在连续冷却条件下的组织转变

Manuel Gomez, Lucia Rancel, Esther Escudero, Sebastian F. Medina

National Centre for Metallurgical Research,CENIM-CSIC, Av. Gregorio del Amo 8, 28040 Madrid, Spain

[Manuscript received September 18,2013,in revised form December 9. 2013. Available online 1 April 2014]

通过电渣重熔制造了几种添加了不同含量钛和钒元素的35CrMo4和38MnV7钢。对不同的冷却速度上的相变合金和微合金元素的影响进行了研究，并对连续冷却转变图进行作图。为了优化热处理和改善的机械性能，确定了生成完全贝氏体组织的冷却速率（无铁素体，珠光体和尤其是没有马氏体）的范围。通过经验公式的预测值进行比较，贝氏体，马氏体相变起始温度（BS，MS）也被确定。沉淀物（特别是钒碳氮粒子）的重要作用是对最终的微观组织和机械力学性能进行评估。

关键词：微合金化钢；相变；沉淀；膨胀计；连续冷却转变图

1.简介

在近几十年，0.30--0.40 wt % C的中碳钢作为高强度钢被使用，特别是在汽车动机零部件制造业。这种钢首先在淬火状态和回火状态（Q T）温度条件被使用，同时具有较好的强度和塑性。后来，随着钒和钛的发展，中碳钢逐渐微合金化。这种钢在热冲压成型后进行正火热处理，为了在低成本获得一个较好的与调质钢力学性能比较相似的铁素体 珠光体组织。在过去几年工业生产里，含贝氏体组织的微合金化钢正在被了解和研究。这个组织在断裂力学方面具有更好的性能，因为在裂纹生成的过程中，裂纹的传递在经过贝氏体晶粒与经过铁素体颗粒相比会遇到更多的障碍。

然而,铁素体-珠光体微观结构非常有名,所以更深层了解贝氏体显微组织是必要的。现如今正在研究的碳贝氏体钢具有较大范围的含碳量(从低于0.1%至接近1%)，现阶段的研究取得了重要的进展，特别是在低碳贝氏体钢。然而,对中、高碳钢的更深入研究是尤为重要的，这种钢具有较好的强度性能常常伴随着相对较低的韧性性能。在这方面,一种改进的热处理方法(包括在等温和连续冷却条件下)去获得较低的微观结构，上贝氏体和颗粒状贝氏体对于加强韧性值和断裂力学性能将至关重要。

奥氏体-贝氏体的转变是复杂的。首先,它是很难获得完全贝氏体微观组织，通常在其他阶段的冷却后就会出现。为了研究所有这些阶段性转变,可以采用一个更有用的方法------膨胀法。膨胀法是一种实验方法,适用于遵守固态发生相变的不同的材料，尤其是钢。在它们加热或冷却过程中，相变带来体积变化,这些变化可以记录研究样本的常规长度变化。钢的相变转变取决于在允许的温度内长度变化的速度和方向相对于温度(扩张/收缩)。在钢铁的加热或冷却过程中，膨胀和收缩产生的的结果是不同晶体结构的铁。在中碳微合金化钢冷却阶段，主要能够形成的组织结构有:铁素体(delta;和alpha;),奥氏体（gamma;），渗碳体（Fe3C），珠光体（铁素体和渗碳体），贝氏体（铁素体和渗碳体）和马氏体，还有碳化物的合金化元素。钢在不同冷却阶段的晶格参数随碳和其他的合金元素的改变而改变。在其他方面可以考虑到温度表达式对晶格参数的影响。

光学显微镜(OM)揭示了片状贝氏体的生长方向相同，但是这种大小的针状铁素体由于个体太小，通常很难通过这种技术进行观察。OM定义的分组可以被视为“形态分组”,但它应该考虑微观结构单元控制裂纹扩展的断裂原理是“晶体包”。这一数据包可以通过电子背散射衍射（EBSD）测定，应用15°的取向差角准则，贝氏体分组大小就在OM确定的值的三分之一的附近。

马氏体是在最高的冷却速度来实现。碳原子数为弧布置造成晶体结构的畸变,产生从体心立方结构（bcc）向体心四方（bct）的晶格变化。针状马氏体还在向相同的方向生长，但在这种情况下，一些针则呈现高取向差角。如后面将要看到的那样，马氏体相变开始温度（MS）是奥氏体碳含量的函数。在所有的高含碳量的钢材中，马氏体转变不能完全完成（gamma;R），因此会有一定比例的奥氏体会冷却为“残留奥氏体”后仍保留在结构中。

钢中的各相都有其自己的机械性能，从柔软而有韧性的铁素体到更硬和更脆马氏体。从工业的角度来看，钢在连续冷却条件下要得到一个特定的相同或相似的微观组织，一般首选等温冷却条件。在许多钢中，知道在施加热处理后通过接近空气的冷却速率所获得的微观结构是一项重要的技术。另一方面，钒是在微合金化碳钢介质中的最重要的合金元素。钒碳氮化物（钒碳氮）粒子能够明显增强铁素体和珠光体贝氏体组织.钒的添加可以促进针状铁素体在钒碳氮化物或钒氮化物中优先形成晶内核，有利于加强韧性。这些沉淀物也能使现有的钛氮粒子和氧化物在核上形成复合夹杂物充当针状铁素体的成核位点，这有助于缩小贝氏体组织。

对于所有的上述原因，连续冷却组织变换图（CCT）已在此被确定用于5种不同组合物的中碳钢工作中（本质的区别铬，钒，钛，锰含量）。这些图提供了优化的热处理的设计和产生所需的微观组织的有用工具。为了确定CCT曲线图，钢是在如后所述研究中进行了几个冷却速率膨胀测定试验。

2.试验

对一个样本钢和四种具有不同的铬，钼，锰和氮含量的中碳V / Ti微合金钢进行了研究。这些钢（其主要应用是汽车部件的生产）是通过电渣重熔（ESR）技术制造的。它们的组成成分在表1中表示。这些钢可以在淬火和回火条件下使用，但它们也可能连续冷却下进行处理，因为铬钼和锰的添加让它们可以在大范围的冷却速度获得贝氏体组织。CR1钢，CR2钢和CR3钢对应于35CrMo4钢具有相对低的锰含量。在较慢的冷却速度下，铬和钼增加有助于获得贝氏体组织。CR1钢是样本钢而CR2钢和CR3钢曾与钒，钛分别被微合金化。另一方面，MN4钢和MN6钢是35MnV7钢锰含量的两倍。

表一 钢的化学成分研究

为了分析奥氏体的分解，并确定在这些钢连续冷却下的临界相变温度，使用一个Adamel DT-100高分辨率膨胀计进行了几个膨胀测定试验。膨胀计试验样品从所有的以锻造为加工条件的钢中获得。这些样品为2mm的直径和12mm的长度圆柱体。40℃/分钟（0.67 K / S）的恒定加热速率和0.03的K /秒和500的K / S之间的若干冷却速率分别适用于绘制CCT曲线。选择1000℃的加热温度，因为它是汽车部件，如曲轴和连杆的位于进行热处理和锻造温度的典型温度之间。膨胀测定试验的实验条件（用于加热，保持，冷却和空气中的使用）示于图1。

图一 膨胀法的实验条件

类似的温度范围内发生的不同的转换,通常可以在膨胀测定的曲线重叠。在膨胀测量样品以不同的速率冷却,测量的微观结构特性描述和维氏显微硬度（NV）,有助于更好地理解在膨胀测量曲线的斜率变化，绘制更准确的CCT曲线。样品通过金相技术制备并通过光学显微镜和场发射枪-扫描电子显微镜（FEG-SEM）进行显微观察。几个样品从淬火的再加热温度骤冷是为了确定初始的奥氏体晶粒尺寸。这些样品显示最初的奥氏体晶界是通过用饱和三硝基酚用湿润剂混合的水溶液蚀刻。用2％硝酸乙醇腐蚀液腐蚀后观察不同的冷却速度后得到的最终组织。根据UNE-EN ISO6507-1使用标准的49 N（5千克力）的负载在几个样品测量显微硬度值。

3.结果与讨论

图2示出再加热后即在膨胀计试验施加不同的冷却速率之前,得到奥氏体微观结构的两个例子。用V施加控制的晶粒尺寸不溶解在这种温和的加热温度（1000℃）,沉淀可以通过比较MN4钢和CR1样本钢的显微组织区别开来。图3示出一个CR1钢的样品的加热和冷却过程中获得的膨胀测定的曲线的例子（压缩/扩张的一个温度函数）。由于相对快速的加热速率（0.67 K / S），在加热过程中的相变温度（Ac1和Ac3相）将总是高于平衡温度。同样地，冷却时的转变温度会比平衡温度低。

图三CR1钢的（冷却和加热）膨胀 图二 两个在再热温度（1000℃）保 曲线 持2分钟的膨胀实验样品的微观组织，

侵蚀奥氏体晶粒边界：（a）CR1钢（bMN4钢

图四 膨胀法实验的冷却曲线和在给定的冷却速率下三种钢的相变温度，包含第一个（drsquo;）第二个（drsquo;rsquo;）扩大的衍生品（dL/Lo）来提高温度的精度

冷却过程中的相变温度，可以更好地确定诸如图4中所示的那些向内弯曲的曲线，对于绘制CCT曲线是必要的。转变温度是从表示膨胀测定样品的长度变化的曲线斜率变化来确定。分别计算第一和第二导数，以提高本研究和包括曲线的精确度。根据组合物的冷却速度，相变

可以在如在图中所示的这些冷却曲线来确定的温度是：（a）奥氏体→铁素体开始转变的相变温度（Ar 3）;（二）共析转变的开始和结束和珠光体的形成（分别为Ar1s和Ar1f）; （三）贝氏体相变开始和结束（分别为Bs和Bf）; （d）马氏体转变的起始温度（MS）。

相变和相关的斜率变化发生在依赖于冷却速度不同的温度。在非常慢的冷却速度，所形成的相位接近那些对应于平衡状态，即（图4的（a））中的铁素体和珠光体。只要冷却速度比较快，贝氏体和马氏体最终出现（分别是图4（b和c））。在中等的冷却速率，混合或复合微观结构将获得有益的机械性能。关于这方面，已经发现了增加在混合组织的下贝氏体的体积分数可以获得有益的机械性能。

图五 钢的连续冷却组织转变图研究。表明了在贝氏体转变起始温度和马氏体转变起始温度的预测性能和测量的微观维氏硬度值。

绘制的CCT曲线（图5）记录了在不同的冷却速度的转变温度。几个样品的维氏硬度（H V）和显微结构特征的值可以帮助确定CCT曲线。随冷却速度的增加，维氏硬度（在图CCT曲线5所示）随微观结构变化产生对应的变化。众所周知，马氏体具有最高的硬度值，铁素体的硬度值是最低的，而珠光体和贝氏体的硬度值位于中间。可以看出在所有的具有完全贝氏体组织的钢材样品测量的硬度值都高于300 HV（即大约高于30洛氏C硬度的值），这意味着一个高强度贝氏体组织。

图六 通过光学显微镜观察在膨胀法实验中获得的微观结构：（a）CR1钢，0.0.K/S，铁素体 珠光体，维氏硬度232；（b）CR2钢，5K/S，贝氏体 马氏体，维氏硬度555；（c）CR5钢，10K/S,马氏体，维氏硬度609；（d）MN4钢，1K/S，铁素体 贝氏体，维氏硬度327；(e)MN6钢，1K/S，贝氏体 马氏体，维氏硬度354。

图6显示了在用光学显微镜研究观察不同的冷却速率下所有钢材的微观结构特征。观察到的微观结构与膨胀测量实验测量的硬度值结果对应良好。在较高的温度和缓慢的冷却速率下形成铁素体和珠光体，贝氏体出现在中间或较快的冷却速率并取决组织成分，而马氏体在快速冷却或骤冷后较低的温度形成。

表二 在钢研究中获得完全贝氏体组织（＞95%贝氏体）的最高和最低冷却速率

在CCT曲线中，获得充分贝氏体组织的冷却速率的范围可以被确定。最慢和最快的冷却速率是分别对应于开始形成铁素体和贝氏体曲线的切线。这些值示于表2。由此可以看出，在钢CR5连续冷却时添加钛相比参考35CrMo4钢（CR1）不增加冷却速率的范围可以获得完全贝氏体组织。然而，当钒的添加是比较高的（如CR 2钢），获得100％贝氏体的最高冷却速度加快两倍。在含有超过0.1％钒的钢MN4和钢MN6中观察到类似的效果。这是很可能是因为在高钒钢的贝氏体分组中钒氮或钒碳氮颗粒可以与发生在钒微合金钢的铁素体晶核作为优先成核晶位点。

另一方面，锰是特别有利于贝氏体的相变：当从1.5％的锰含量（钢MN4）增加至超过2％的锰含量（钢MN6），生成完全贝氏体组织的冷却速率范围是相当广泛的。实际上，在钢MN6的铁素体转变是几乎没有的，因为在低于0.1K /秒的冷却速率时铁素体不会出现。先前已发现，锰的添加或富集可以抑制形成晶界铁素体，珠光体和针状铁素体，也有利于促进贝氏体在微合金中碳钒钢的形成。

几位作者已经提出通过经验公式的来预测在开始转变温度贝氏体（BS）和马氏体（MS）的性能和化学成分的组成。在这项工作中获得的实验数据与用于BS和MS的两种最普遍的表达式进行比较：

元素的符号对应于重量百分比的密度。计算出的值被显示在图5，它可以得出的结论是两个表达式可以相当精确的预测下

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