奥氏体化温度和空冷速率对CFBM复相钢组织和性能的影响图.docx

1、奥氏体化温度和空冷速率对CFBM复相钢组织和性能的影响图奥氏体化温度和空冷速率对CFB /M 复相钢组织和性能的影响苑 晔1,刘东雨1,彭建超1,侯世香1,刘宗德1,徐 鸿1,安江英1,白秉哲2,徐雪霞2(1.华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京 102206;2.清华大学先进金属材料教育部重点实验室,北京 100084摘要:通过For m aster F 热膨胀仪和G leeb le 1500热/力模拟试验机分别模拟了奥氏体化温度为910 和960 时不同直径的无碳化物贝氏体/马氏体(CFB /M 复相钢圆棒在空气中的冷却速率,采用光学显微镜和扫描电镜分析了奥氏体化温度和

2、冷却速率对CFB /M 复相钢显微组织的影响,测定了CFB /M 复相钢的硬度和冲击韧度值。结果表明,在空冷条件下,随圆棒直径增大,CFB /M 复相钢的组织由无碳化物贝氏体+马氏体转变成铁素体+无碳化物贝氏体,硬度随之降低,但冲击功却显著增加。提高奥氏体化温度,可抑制铁素体析出,使CFB /M 复相钢在更大的冷速范围内获得强韧性好的CFB /M 复相组织。关键词:无碳化物贝氏体/马氏体(CFB /M 复相钢;奥氏体化温度;空冷;强韧性中图分类号:TG142.2;TG113.25 文献标识码:A 文章编号:0254 6051(200712 0061 03E ffect of austeniti

3、zi ng temperature and air cooli ng rate on m icrostructure andproperties of the CFB /M steelYUAN Y e 1,LIU Dong yu 1,PENG Jian chao 1,HOU S h i x iang 1,L IU Zong de 1,XU H ong 1,AN Ji a ng y i n g 1,B A I B i n g zhe 2,XU Xue x ia 2(1.Key Labo ratory of Cond ition M onitori n g and Control for Po w

4、 er Plan tE quip m ent ofM i n istry of Educati o n ,North Ch i n a E lectric Po w er Un i v ersity ,Beiji n g 102206;2.Key Labo ratory for Advanced M ateria ls ofM inistry o f Education ,Tsi n ghua Un i v ersity ,Be ijing 100084Abst ract :The process of a ir coo ling about CFB /M steel bar w ith d

5、ifferent dia m eter after austenizi n g at 910 and 960 w as si m u lated by For m aster F ther m al d il a to m eter and G leeble 1500ther m al/m echan ica l si m u lati o n m ach i n e respec ti v e l y .The m icrostructure o f the experi m enta l steel w as observed by optical m icroscope and scan

6、n i n g electr on m icro scope .The hardness and i m pact toughness of the exper i m enta l stee lw as tested .The resu lts sho w that i n t h e air cooling condition ,w ith the d i a m eter of the steel bar i n creasi n g ,the m icr ostruct u re changed fro m CFB+M m ixed m icrostruct u re to Ferri

7、te+CFB m icrostr ucture .The har dness decreases but t h e i m pact toughness i n creasesw ith the d i a m eter of t h e experi m ental stee l bar increasing .The proeutecti o d ferrite is restrai n ed and the CFB /M m i x ed m icrostructure is obtained i n a w ider range of coo li n g rate w ith i

8、n creasi n g austenizi n g te m perature .K ey w ords :carbide free bainite /m artensite stee;l austenizing te m perature ;air coo li n g ;strength and toughness 作者简介:苑 晔(1979 ,男,黑龙江齐齐哈尔人,硕士生,主要从事高强度低碳合金钢的强韧性改善研究。联系人:刘东雨,教授。电话:010 * E ma i:l li udy ncepu .edu .cn 基金项目:国家973计划(2004CB619105;华北电力大学电力科学

9、基金收稿日期:2007 06 05含碳量为0 20%0 25%的M n C r 钢和M n Si C r 钢的 8mm 短拉伸试样和标准夏比冲击试样奥氏体化后空冷可获得贝氏体+马氏体复相组织。低碳M n C r 钢为典型的下贝氏体+马氏体复相组织,低碳M n S i Cr 钢为含有膜状残留奥氏体的CFB +M 组织。为此,将具有CFB +M 组织的低碳M n S i C r 钢称为空冷CFB /M 复相钢。与淬火马氏体相比,CFB +M 复相组织具有较高的回火抗力,CFB +M 复相组织将钢的低温回火脆性开始温度提高至360 ,这使钢可以在更高温度回火,从而使钢具有较高的延迟断裂抗力和疲劳裂纹

10、萌生抗力、较低疲劳裂纹扩展速率1 5。文献68的研究表明,奥氏体化温度和奥氏体化后的冷却速率显著影响钢的组织和性能。为此,作者就奥氏体化温度和奥氏体化后的冷却速率对空冷CFB /M 复相钢的组织和性能的影响进行了试验研究。1 试验材料和方法试验用CFB /M 复相钢为上海宝山钢铁集团特殊钢分公司采用电弧炉熔炼,并经炉外精炼。其化学成分为(质量分数,%:0 22C 、23M n 、1 76S i 、0 57Cr 、0 016P 、0 002S 。热模拟的G leeb le 试样和For m aster 试样由 60mm 棒料改锻而成。试样预备热处理工艺为700 高温回火。奥氏体化温度分别为910

11、 和960 ,奥氏体化后按文献9给出的不同直径圆棒空冷时的心部冷却速度在G leeb le 1500热/力模拟试验61!金属热处理2007年第32卷第12期机和For m aster F 热膨胀仪上进行模拟冷却试验。采用OLYMPUS P ME3光学显微镜和FE I QUANTA200F 扫描电镜观察显微组织和断口形貌。采用J CSJ300 1数字化多功能冲击试验机测定其冲击韧度,HBRV 187 5型布洛维硬度计测其维氏硬度。2 试验结果及分析2.1 冷却速率对钢的临界点和显微组织的影响根据钢的高温奥氏体及其转变产物(铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体具有不同的比容,利用膨胀曲线上所显示出的热膨

12、胀的变化点来确定钢的临界点。将锻后直接由700 高温回火的CFB /M 复相钢试样以3 /m i n 的速率加热到910 奥氏体化,保温10m in ,然后以3 /m in 的速率冷却以测定试验钢的Ac 和A r 转变温度。经910 奥氏体化的试样,采用氩气冷却测定试验钢的马氏体转变开始温度M s 和马氏体转变结束温度M ,f 结果见表1。Ac 1没有获得有效值是因为试样的原始组织为回火索氏体,故不存在加热过程中珠光体向奥氏体的转变,也就不存在A c 1临界点。而在冷却过程中由于珠光体的转变温度低,层片间距小而分辨不开,从而在光学显微镜下呈暗色块状。作者采用直径为 5、 7 5、 10、 20

13、、 30、 40、 50mm 的7种CFB /M 复相钢圆棒模拟了奥氏体化后空冷的冷却速率,探讨了冷却速率对钢的临界点的表1 试验钢的转变温度( Tab le 1 T ran sfor mat i on temperatu re ofth e exper i m en tal steel ( Ac 1Ac 3Ar 1Ar 3M s M f805501750325175影响,结果见表2,其典型显微组织见图1。由表2和图1可见直径为 5 20mm 的圆棒空冷后均可获得无碳化物贝氏体+马氏体复相组织,而 30mm 的圆棒空冷后获得铁素体+无碳化物贝氏体+马氏体组织, 40mm 以上的圆棒空冷后获得铁

14、素体+无碳化物贝氏体组织。对 20mm 以下的圆棒空冷后获得的组织采用杠杆法计算了无碳化物贝氏体的量,结果见表3,不同直径试验钢圆棒的维氏硬度值见表4。可见 20mm 左右的圆棒空冷后,随圆棒直径增加,试验钢的硬度下降较快。表2 空冷圆棒直径对试验钢临界点的影响T ab le 2 E ffect of th e dia m eter of th e air cooling bar oncr itical po i n ts of the exper i m en tal steel圆棒直径/mm57.5102030 40 50Fs / 575625610B s / 37537537542542

15、5420420Bf/ 320M s / 320325325M f/175160175225 225图1 不同直径圆棒910 奥氏体化空冷后的显微组织(aCFB+M ( 20mm 圆棒 (bF+CFB +M ( 30mm 圆棒 (cF+CFB ( 50mm 圆棒F i g .1 M icrostruc t ure of the experi m ental stee l a fter austenitizi ng at 910and air cooli ng(aCFB +M ( 20mm bar (b F +CFB+M ( 30mm b ar (cF+CFB( 50mm bar表3 圆棒直径对无

16、碳化物贝氏体量的影响T ab le 3 T he effect of the dia m eter of the experi m en talsteel bar on th e a moun t of CFB圆棒直径/mm 5 7.5 10 20无碳化物贝氏体量(%20253239注:910 奥氏体化,空冷2.2 奥氏体化温度对钢的显微组织和性能的影响采用相同的加热和冷却速率以及相同的保温时间,只将CFB /M 复相钢的奥氏体化温度提高至960 以探讨奥氏体化温度对钢的显微组织的影响,空冷后表4 不同直径试验钢圆棒的维氏硬度Table 4 H ardn ess of th e experi

17、m ental stee l bar w ithd ifferent d i a m eter圆棒直径/mm 5 7.5 10 20 30 40 50硬度(HV0.2476473470401383370362注:910 奥氏体化,空冷不同直径圆棒的显微组织见图2。与图1比较可见,奥氏体化温度提高至960 后, 30mm 圆棒未出现先共析铁素体,而 50mm 圆棒仅出现少量先共析铁62!金属热处理2007年第32卷第12期素体。在设计CFB /M 复相钢时,充分考虑了合金元素对B s 点的影响。利用C 、M n 和C r 将Bs 点温度控制在400 左右,以获得针状贝氏体以分割细化马氏体,利用S

18、 i 抑制渗碳体析出以获得膜状残留奥氏体。先期试验表明10,CFB /M 复相钢在400 贝氏体等温转变量仅14%左右,而大量贝氏体转变发生在400 以下温度范围内,因此成分设计为形成分散分布的针状无碳化物贝氏体奠定了基础。图3a 为 30mm 圆棒空冷后形成的无碳化物贝氏体板条,图3b 为 50mm 圆棒空冷后形成的无碳化物贝氏体板条和块状先共析铁素体。960 奥氏体化后空冷,不同直径圆棒的硬度和冲击功结果见表5。 10 30mm 的圆棒空冷后组织均为CFB +M,硬度相当, 50mm 的圆棒出现了先共 图2 960 奥氏体化的不同直径圆棒空冷后的显微组织(aCFB +M ( 20mm 圆棒

19、 (b CFB +M ( 30mm 圆棒 (cF+CFB( 50mm 圆棒F i g .2 M icrostruc t ure of the experi m ental stee l a fter austenitizi ng at 960 and air cooli ng(aCFB+M ( 20mm bar (bCFB+M ( 30mm bar (cF+CFB( 50mmbar 图3 960 奥氏体化的不同直径钢棒的贝氏体形态F i g.3 M o rpho l ogy o f CFB i n t he bar o f different d i ame ter(a 30mm bar (b

20、 50mm bar表5 不同直径圆棒空冷后的硬度和冲击功Tab le 5 H ardne ss and i m pact energy of the exper i m en tstee l bar w ith differen t d ia m eter after air coo li ng圆棒直径/mm 10203050硬度(HV1484478483419A KV /J 60.661.966.571.9注:960 奥氏体化析铁素体,从而使硬度下降。但与910 奥氏体化相比,其具有较高的硬度。钢的冲击功不因出现铁素体而降低,少量铁素体的出现反而改善钢的冲击韧性。3 结论(1随着空冷速率的降

21、低,CFB /M 复相钢的显微组织发生CFB+M #CFB +M +F #CFB +F 的演变。(2提高奥氏体化温度使CFB /M 复相钢获得CFB+M 组织的冷却范围变宽,少量铁素体析出降低钢的硬度,提高钢的韧性。参考文献:1 刘东雨,方鸿生,白秉哲,等.无碳化物贝氏体/马氏体复相钢的强韧性J.机械工程学报,2003,39(8:27 31.2 刘东雨,刘宗德,周锦银,等.无碳化物贝氏体/马氏体复相钢冲击断裂行为A .第八次全国热处理大会论文集C.北京:中国机械工程学会热处理学会,2003:538 541.3 刘东雨,徐 鸿,杨 昆,等.贝氏体/马氏体复相组织对低碳合金钢强韧性的影响J.金属学

22、报,2004,40(8:882.4 韦东远,顾家琳,方鸿生,白秉哲.1500M P a 级贝氏体/马氏体复相高强度钢的疲劳特性J.钢铁研究学报,2003,15(4:46 50.5 常开地,顾家琳,方鸿生,等.新型1500M Pa 级高强钢的氢脆敏感性研究J.金属热处理,2002,27(3:8 11.6 刘 澄,朱启惠,姚 枚,等.750M Pa 级热轧低碳低合金贝氏体建筑钢筋的研究J.钢结构,1997,12(4:26 28;34.7 刘 澄,王德尊,姚 枚,等.冷却速度对20M n2W N bB 低碳贝氏体钢的组织形态及力学性能的影响J.金属热处理,1998,23(4:9 11.8 鞠育平,何鹏瞧.奥氏体化温度及冷却方式对20M n2S i V B钢组织及性能的影响J.热加工工艺,2006,35(8:37 39.9 康大韬,郭成熊.工程用钢的组织转变与性能手册M .北京:机械工业出版社,1992:10 29.10 刘东雨,方鸿生,陈颜堂,等.1500M P a 级经济型贝氏体/马氏体复相钢的合金设计J.金属热处理,2000,25(10:1 5.63!金属热处理2007年第32卷第12期