低碳贝氏体钢的组织性能研究分析.docx

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低碳贝氏体钢的组织性能研究分析

摘　　要

本文通过光学显微镜观察了Q550D与SM570-H的光学显微金相组织，通过扫描电镜观察其微观组织并利用能谱分析其夹杂物的成分。

得到了两种钢的组织精细结构以及非金属夹杂物的形貌及成分，分析了这些夹杂物对低碳贝氏体钢性能的影响。

通过在显微镜下观察到Q550D组织为板条状的上贝氏体组织，在大致平行的铁素体板条中镶嵌着很多细小的不易辨认的渗碳体。

而SM570-D的组织属于粒状贝氏体组织，在板条状的铁素体基体上弥散分布着由残余奥氏体和马氏体组成的小岛（也称M/A岛），从微观组织上观察，SM570-H的组织比Q550D更为细小。

通过扫描电镜图，可以观察到在两种钢中都含有非金属夹杂物，这些非金属夹杂物大多都分布在奥氏体晶界处，主要是一些复杂的钙铝酸盐和硫化物，其导致组织的不均匀，从而使得钢的性能出现不均匀，除了钙铝酸盐和硫化物之外，组织中也有一些细小的颗粒，这些颗粒主要是合金元素通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀出来，从而提高钢的强度。

钢中其它的一些微量元素如钛、铝等，这些元素的第二相弥散分布在铁基体中，形成弥散强化。

低碳贝氏体钢的性能还与轧制工艺有着密切的关系，特别是控制终轧温度能够明显改善低碳贝氏体钢的组织，一般把低碳贝氏体钢的终轧温度降低到1000℃左右能够明显提高低碳贝氏体钢的强韧性。

研究发现低碳贝氏体钢由于贝氏体组织结构精细，分布均匀，且碳当量小，因而贝氏体钢具有良好强韧性和焊接性能。

关键词：

贝氏体组织,金相组织,贝氏体转变,非金属夹杂

ResearchontheMicrostructurePropertyofLow-carbonBainiteSteel

Abstract

ThemicrostructureofQ550-DandSM570-Hwerestudiedbyopticalmicroscopeandelectronmicroscopeinthispaper,andthecompositionswasanalyzedbyenergyspectrum.Themicrostructuresofthetwosteelsandthecompositionsofnonmetallicinclusionswereobtained,alsotheeffectionsofnonmetallicinclusionsforthesteels’propertywasanalyzed.

Throughobservationbymicroscopywecangetthatthereareparallelbainite-ferritestripdistributedinmicrostructureofQ550-D.Andmorefinecementitesareinlayedinthebainite-ferritestrip,It’suneasytoidentify.Itbelongstoupperbainite.themicrostructureofSM570-Hbelongstogranularbainite,thesandislandconsistedofretainedausteniteandmartensitedistributedinthelath-likeferrites,observinginthemicrostructure,ThemicrostructureofSM570-HisfinerthanQ550D.

WecanobservedthereweremorenonmetallicinclusionsintheBainiticsteels,andthesenonmetallicinclusionsalwaysdistributedinaustenitegrainboundaryandalwayssomecalcium-aluminateandsulfides.Thesenonmetallicinclusionscandecreasethestrengthofsteelsbecauseofunevenmicrostructure.besidesthecalcium-aluminate,thereweresomeparticalofalloysinthemicrostructure,thesemicroalloyingelementscanimprovethestrengthofalloysbecauseofsolidsolutionstrengtheninganddispersionstrengthening.,suchasTi,Al.thesecondphaseoftheseelementsdistributedinthelath-likeferrites.

Thepropertyoflow-carbonBainitiesteelisinassociationwithRollingTechnologyParameters.especiallyinthefinishingtemperature.ThepropertyismoresuperiorIfthefinishingtemperatureiscontrolledabout1000℃.

Themicrostructureofthelow-carbonBainitesteelisveryfine,andwell-distributed,andcarbonequivalentislower,solow-carbonBainitesteelshaveexcellentstrengthandtoughnessandgoodweldingproperties.

KeyWords：

Bainitiemicrostructure，metallographicstructure

Bainitetransformation，nonmetallicinclusions

目　　录

摘　　要1

Abstract2

引　　言1

1文献综述3

1.1国内外低碳贝氏体钢的研究现状3

1.1.1国外低碳贝氏体钢的研究现状3

1.1.2国内低碳贝氏体钢的研究现状4

1.2低碳贝氏体钢的发展前景6

1.2.1市场需求前景6

1.2.2低碳贝氏体钢的品种发展方向7

1.2.3低碳贝氏体钢的研发方向7

2研究贝氏体组织的意义与分类8

2.1贝氏体组织的定义8

2.2研究贝氏体组织的意义9

2.3贝氏体组织的分类11

2.3.1上贝氏体11

2.3.2下贝氏体12

2.3.3粒状贝氏体13

2.4低碳贝氏体钢的强化机制14

2.4.1细晶强化14

2.4.2析出强化15

2.4.3固溶强化15

2.4.4位错和亚晶强化16

2.4.5相变强化16

2.5钢中各种元素的作用17

2.5.1C含量的控制范围17

2.5.2B在低碳贝氏体钢中的作用17

2.5.3Mn在低碳贝氏体钢中的作用17

2.5.4Cu在低碳贝氏体钢中的作用18

2.5.5Nb、Ti在低碳贝氏体钢中的作用18

2.6低碳贝氏体钢的控制轧制19

2.6.1控制轧制的概念19

2.6.2低碳贝氏体钢终轧温度的控制20

2.6.3轧后控冷对组织的影响20

2.6.4加热温度对控轧效果的影响21

3研究内容与方案21

3.1研究内容21

3.2试验内容及研究步骤22

3.2.1试验设备22

3.2.2取样说明22

3.2.3实验步骤22

3.3金相组织分析24

3.4非夹杂物形貌分析29

3.5贝氏体中的碳化物33

结论：

33

参考文献34

附录A37

附录B原文38

附录C译文43

致　　谢51

引　　言

材料是现代文明的支柱，人类文明的每一个脚印都与材料科学的进步密不可分。

随着现代工业的发展，对材料性能的要求也越来越高。

现代材料的研究有两个大的趋势：

①不断开发新技术、新工艺、新设备，以研制各种具有特殊性能要求或优异性能的新型材料；②对传统材料（如钢铁材料）采用先进的工艺，以期大幅度提高其使用性能，有效合理地利用资源。

钢铁材料作为传统的结构材料，是创造现代文明的基础材料，足够数量的优质钢铁是各国实现工业化的必要条件，因而，开发新一代钢铁材料己经引起了世界各国的高度重视，研究新一代钢铁材料己是当今国际上科技发展的重要方向之一。

低碳贝氏体钢是近20年来发展起来的具有高强度、高韧性、优良的焊接性能的新钢系，被誉为21世纪环保绿色钢种，目前己成为与传统的铁素体－珠光体钢、马氏体淬火回火钢并列的一大新钢种。

我国海洋权利不断遭到周边国家的骚扰，特别是南海海域的领海纠纷问题，为了更好的保护我国的海洋主权，建造大型航空母舰是迫在眉睫的，而建造大型航母除了需要强大的经济实力外，对材料的性能也有极高的要求，而低碳贝氏体钢是建造航母最好的材料选择，我国的邯钢，宝钢，首钢在研制生产宽厚板方面已经具备了制造大型船体的能力。

现代社会随着人类的自然社会的破坏，使得自然灾害越来越多，比如2008年发生在中国四川汶川的5.12大地震，以及沿海城市的台风，这就对未来的建筑用钢了更高的要求，要求材料的性能更加的优良，具有一定的抗震能力。

综上所述，低碳贝氏体钢在现代工程建筑，军事，桥梁，船体等方面的应用越来越多，而且性能的要求也越来越高，所以开发更高性能的低碳贝氏体钢是现代材料界的新的方向。

然而材料的性能是由其内部组织决定的，只有更详细的了解低碳贝氏体的组织特征之后，才能更好的提高低碳贝氏体钢的性能。

本课题来自实验室自拟，材料来自国内某钢厂生产的Q550D和SM570-H。

Q550D是钢的屈服强度大约在550MPa左右，SM570-H是其钢的抗拉强度大约在570MPa左右。

两种钢均是低碳贝氏体钢。

1文献综述

1.1国内外低碳贝氏体钢的研究现状

1.1.1国外低碳贝氏体钢的研究现状

低碳贝氏体钢是一类高强度、高韧性、焊接性能优良的新一代钢种，是化学冶金及物理冶金最新研究成果相结合的产物。

由于低碳贝氏体钢具有高强度，良好的韧性，使得低碳贝氏体钢在造船业和石油天然气输送管线中得到较快发展。

作为船体和石油天然气管线用钢，显示出该钢种高的强度和优异的低温韧性，以及很高的社会经济效益，从而引起世界各国研究者和钢铁工业界的重视。

20世纪50年代，英国人P.B.pickering[1]发明了Mo-B系空冷贝氏体钢。

Mo与B的结合可以使钢在相当宽的连续冷却范围内获得贝氏体组织[1]。

但是由于生产成本较高，因此该钢种的发展受到一定的限制。

日本东京钢公司研制了低碳含V贝氏体非调质钢[2]，该钢锻后空冷得到以贝氏体为主及少量铁素体和珠光体的显微组织，其抗拉强度达到800～1000MPa，室温冲击韧性为50J/cm2，而-40℃冲击韧性仍高达40J/cm2。

日本新日铁公司在贝氏体非调质钢的研发中多添加微合金化元素，这类钢在很宽的冷却范围内都可以获得贝氏体组织，并可获得更好的低温性能，适合于强度高、韧性好的汽车行走系部件。

F.G.Caballelo等[3]在设计高强度贝氏体钢的研究中，设计了Fe-0.2C-2Si-3Mn和Fe-0.4C-2Si-4Ni两种钢成分。

研究发现，Fe-0.2C-2Si-3Mn贝氏体钢表现出良好的断裂韧性，强度可以达到1375～1440Mpa，其断裂韧性稍低，但仍然要高于高强度马氏体钢[4]。

这两种钢均需回火处理。

美国联邦铁路管理局与Tuskegee大学联合开发的低碳贝氏体钢轨钢[5]，其极限强度、屈服强度、延伸率分别为1500MPa、1100MPa和13%，比相同条件下的珠光体钢性能要高，且具有良好的断裂韧性，其值是相同条件下珠光体钢断裂韧性的1.5倍。

低碳微合金化控轧控冷贝氏体钢研制成功后，受到工程界的注意。

逐步得以推广应用。

在此基础上发展了超低碳的控轧控冷贝氏体钢（ULCB钢，含碳量小于0.05%）。

McEvily于1967年研制出采用Mn、Mo、Ni、Nb合金化的ULCB钢，经热机械控制（TMCP）处理后，屈服强度达到700MPa，且具有良好的低温韧性和焊接性能，日本钢铁公司研制了X70和X80超低碳控轧贝氏体钢，其屈服强度高于500MPa，脆性转变温度（FATT）小于-80℃，它既可以作为低温管线钢，也可作为舰艇系列用钢。

DeArDo[6]开发出ULCB-100型超低碳贝氏体中厚钢板（含碳量低于0.03%），通过控轧控冷处理和高度合金化实现细晶强化、弥散强化与位错强化的综合作用。

该钢种以80%累计变形量进行精轧并随后空冷，其屈服强度可高达700MPa，且FATT可提高到-50℃。

巴西学者[7·8]通过模拟高强度低合金贝氏体钢的控轧控冷工艺过程，研究了控轧控冷工艺参数对其微观组织和力学性能的影响，发现轧制后冷却速率与终轧温度是主要的控制工艺参数。

波兰学者[9]研究了在热轧、淬火及回火加工条件下超低碳贝氏体钢的微观组织与力学性能，研究表明，可以获得屈服强度大于650MPa、低温冲击性能为200J（213K）的应用于造船、海洋石油钻采平台、压力容器及高性能结构部件的超低碳贝氏体钢板。

近代工业发展对热轧非调质钢板的性能要求越来越高，除了具有高强度外，还要具有良好的韧性、焊接性能及低的冷脆性。

目前世界上许多国家都利用（超）低碳的控轧控冷贝氏体钢生产高寒地区使用的输油、输气管道用钢板、低碳含铌的低合金高强度钢板、高韧性钢板，以及造船板、桥梁钢板、压力容器钢板及工程机械用钢板等。

1.1.2国内低碳贝氏体钢的研究现状

我国低碳贝氏体钢的控轧控冷研究与应用相对较晚，目前我国鞍钢、武钢、舞钢、济钢和宝钢等企业均生产过不同级别的低碳贝氏体钢板。

武钢在1999年开始试制板厚为12mm-30mm，抗拉强度为590Mpa，685Mpa级别的低碳贝氏体结构钢，济钢开发了一种新型的贝氏体高强钢（C2Si2Mn2Cr系），其特点是不加入昂贵的N、Mo、B。

宝钢生产了620MPa，690MPa，780MPa等三个级别的钢板[12]。

采用奥氏体再结晶，未再结晶，奥氏体与铁素体两相区三段控轧工艺并配合压下率，舞钢试制成功了低碳贝氏体钢WDB620，DB690及WH70[13].

清华大学方鸿生等[10]在研究中发现，Mn在一定含量时，可使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的上、下C曲线分离。

发明了Mn-B系空冷贝氏体钢。

他突破了空冷贝氏体钢必须加入Mo、W的传统设计思想，研制出中高碳、中碳、中低碳、低碳Mn-B系列贝氏体钢。

西北工业大学康沫狂等[11]通过多年的研究提出了由贝氏体和残余奥氏体组成的准（非典型或无碳化物）贝氏体，并成功研制了系列准贝氏体钢。

与一般结构钢相比，新型准贝氏体钢具体更好的强韧性配合，其力学性能超过了典型贝氏体钢、调质钢和超高强度钢。

山东工业大学李风照等[12]根据贝氏体相变原理，通过合理控制成分和优化冷却制度，并运用细晶强化、弥散强化等主要强韧化机制及其迭加效应，采用微合金变质处理，开发了隐晶或细针状贝氏体的高品质贝氏体或高级贝氏体体钢。

此外北京科技大学的贺信莱，杨善武，王学敏等[13]人在低碳贝氏体钢的理论与实际应用方面也有着很好的业绩。

我国低碳贝氏体钢的控轧控冷研究和应用相对较晚，在20世纪80年代初才开始这方面的工作。

武钢[14，15]于1999年开始试制板厚12～30mm，抗拉强度达到590MPa、685MPa级别的低（超低）碳贝氏体结构板，产品采用铁水预脱硫、RH真空处理工艺降低C含量，增添Mo-B-V-Nb等合金元素，且需热处理。

济钢[16]研制开发了一种新型的贝氏体高强钢（C-Si-Mn-Cr系），其特点是钢中不加入昂贵的Ni、Mo、B等元素，而用少量普通元素V、Mn、Cr合金化，以低廉的合金成本代价就能使钢板TMCP处理后空冷自硬，从而节约大量热处理费用，降低了生产成本和生产难度。

攀枝花钢铁公司与清华大学、二汽合作开发的贝氏体微合金非调质钢12Mn2VB代替45调质钢制造汽车前轴，效果良好。

宝钢[17]研究了Mn-Mo-Nb-B系超低碳贝氏体钢的钢坯加热、控制轧制、控制冷却、时效处理诸因素与钢力学性能的关系，生产了620MPa、690MPa等两个级别的钢板。

鞍钢[18]采用控轧控冷工艺试制了HQ590DB低碳贝氏体钢板。

其终轧温度为800～850℃，控制终冷温度为590～630℃，获得铁素体和板条状贝氏体组织，钢板抗拉强度达650～690MPa，屈服强度达490～590MPa，延伸率为20%，并具有良好的成形性能。

采用奥氏体再结晶、未再结晶、奥氏体与铁素体两相区三段控制工艺并配合相应的压下率，舞钢试制成功了低碳贝氏体钢WDB620、DB690及WH70[19]。

实践证明，采用合金化与控轧控冷工艺技术是生产强度高、韧性好、可焊性优良且成本低的贝氏体钢板的最好方法。

国内对低碳贝氏体钢的研发大部分停留在试验研究阶段，只有个别厂家成功生产出低碳贝氏体钢。

1.2低碳贝氏体钢的发展前景

1.2.1市场需求前景

高强度低碳贝氏体钢被国际上公认为21世纪钢种，国外在20世纪80年代才开始进行研制。

与普通低合金钢相比，该钢种由于碳含量下降，在保证高强度的条件下，仍能保持很高的韧性，并在恶劣环境下能满足焊接性能，其应用范围广泛，可用于石油管线、舰船、大型结构件及海洋设施等方面。

近些年，在机械、汽车等行业，非调质钢替代传统的调质钢已经获得了广泛的应用。

制造大型贮罐及运输船都采用非调质处理钢和微合金化中厚板钢。

汽车工业发达的日本，其非调质钢发展最为活跃，川崎制铁开发出具有耐大气腐蚀性的非调质低碳贝氏体型中厚钢板。

空冷贝氏体钢属于非调质钢中的一类。

在生产中可将热加工成型工序与热淬火工序合并，空冷自硬，省去了淬火工序，不仅节约了能源，简化了工艺，提高了生产效率，而且可以避免由于淬火引起的变形、开裂及氧化、脱碳等热处理缺陷。

空冷贝氏体钢具有良好的综合力学性能，不仅提高了产品的质量，而且延长了产品的使用寿命，应用前景非常广阔。

空冷贝氏体钢应用于制造汽车前轴，由于其热加工性能良好，同时由于具有优良的强韧度配合，故可提高前轴的质量及寿命。

因此，对汽车前轴这类关键的保安件来说，采用空冷贝氏体钢制造，不仅经济效益显著，而且对保证汽车质量具有重要意义。

1998年重汽集团公司与唐山贝氏体钢总厂联合开发了斯太尔汽车前轴用贝氏体钢，其性能优良，力学性能可达到:

屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥900MPa，延伸率≥17%，断面收缩率≥61%。

耐磨钢球是广泛用于矿山、冶金、电力、建材和化工等行业的重要易耗件，国内年耗量高达100万吨，国际市场容量在500万吨。

目前使用的各种材料不仅成本高，而且由于硬度高、韧性差而使破碎率高。

低碳贝氏体耐磨钢球从表面到心部都具有高硬度、高韧性、低破碎率，且工艺简单，低成本，生产效率高。

低碳贝氏体钢还可应用于制作塑料模具、模块、贝氏体钢弹簧、建筑用高强度钢筋、铁路道岔、油田用抽油杆和作为工程结构及标准件用钢等。

总之，低碳贝氏体钢种的研制与开发越来越引起材料界和工业行业的极大兴趣。

目前国内各特殊钢厂都相继研制开发出一系列低碳贝氏体钢。

低碳贝氏体钢的应用也正在不断深入国内各工业行业，所产生的经济效益也日益得到人们的认可。

1.2.2低碳贝氏体钢的品种发展方向

随着国际、国内经济的飞速发展和我国产业结构的调整，国内外钢材市场消费发生了较大的变化，其中低合金高强度钢的市场需求增加幅度越来越大。

目前，邯钢中板生产线已能大量生产普碳钢、Q345，也能生产少量的船板、容器板、锅炉板等系列产品，并取得了良好的技术经济指标，但生产低合金高强度钢板的品种较为单一。

《邯钢“十一五”钢材品种生产及科技发展规划》指出邯钢中长期钢材品种的发展方向和目标:

到2007年板带比由50%提升至80%，板带材以建筑、造船、工程机械用热轧中厚钢板和板卷，汽车、家电、集装箱用薄板系列为主体的品种结构;到20.0年实现板带比达85%，最终形成以自主知识产权为主导的板带品种研发基地。

邯钢新近引进了大板坯连铸机与新中板轧机等新设备，以调整产品结构，提高工艺设备水平，为提高邯钢产品的市场竞争力提供了设备保证。

很明显，低碳贝氏体钢的研发符合邯钢中长期钢材品种的发展方向和目标，对于提高邯钢钢材产品的市场竞争力、形成以自主知识产权为主导的板材品种研发平台具有积极的推动作用。

除此之外，宝钢、首钢、鞍钢、济钢等国内大型钢铁集团都对低碳贝氏体钢的生产制定了明确的规格和生产工艺，已及低碳北市钢的长期发展计划。

1.2.3低碳贝氏体钢的研发方向

低碳贝氏体钢以其性能价格比方面具有的明显优势，在我国的应用前景将十分广阔。

贝氏体系列钢的研究目前仍处于贝氏体相变机理研究与贝氏体钢的开发与推广应用阶段。

在研发低碳贝氏体钢方面，应开展以下两方面的研究工作:

（1）低碳贝氏体钢产品品种的开发除对现有低碳贝氏体钢的生产工艺进行完善与优化外，还应不断开发新的低碳贝氏体钢品种，扩大贝氏体钢产品的应用范围。

低碳贝氏体钢在模具用钢、耐磨耐冲击钢、工程构件用钢等领域的开发研究将进一步深入，同时研究开发低碳贝氏体钢在弹簧、建筑用高强度钢筋、齿轮、标准件等方面的使用。

（2）加强控轧控冷低碳贝氏体钢的研制从低碳贝氏体钢的发展趋势来看，开发研制控轧控冷贝氏体钢是十分必要的。

低碳贝氏体钢中厚板通过控轧控冷不仅可以充分细化组织，大幅度提高钢的综合性能，而且控轧控冷贝氏体钢勿需热处理工序，节能又节省合金资源，因此生产成本明显降低，从而具有广阔的应用前景。

2研究贝氏体组织的意义与分类

2.1贝氏体组织的定义

20世纪年代末，Robertson[20]首次在钢种发现后来被命名为贝氏体的中温转变产物，事实上Ronertson当时对此未给予足够重视。

20世纪30年代初，Dabenport和bain[21]在研究奥氏体于150℃（马氏体形成温度）-550℃（珠光体形成温度）之间等温冷却转变时，发现奥氏体分解产生一种新的组织，该组织形态呈针状，每个针是由易腐蚀聚合物组成，但由于分析手段限制，当时无法对此聚合物进行组织结构鉴定。

此外，在同一材料中，与珠光体和马氏体组织对比可知，它们之间存在着显著差别。

共析钢在不同温度等温时，其分解产物是不同形态的组织，720℃等温时，其分解产物是层片状珠光体组织，290℃等温时，获得针状组织，180℃等温时，获得马氏体组织。

观察上述针状组织时发现[22]，针状组织在侵蚀剂中的腐蚀速度显著高于马氏体，但比屈尸体（细珠光体）低，因此当时曾被称为马氏体-屈尸体（简称M-T组织），即后来被称为贝氏体的组织。

尽管于1934年，Bain实验室工作人员为纪念Bain，已经提出了贝氏体这个术语，但随后的一段时间，Bain及其同事[23]，通常仍谨慎地将这种组织称之为未命名的、易侵蚀的、在某种程度上与马氏体像是的针状聚合物。

由于在贝氏体相变这个问题上，国内和国外的贝氏体研究专家有很大的分歧，特变是关于贝氏体的相变原理，表面浮凸等，所以关于贝氏体的定义不同学派的学者有各自不同的定义。

目前被普遍认可的贝氏体定