熱變形條件對(duì)一種Cr-Mn-Mo-B鋼連續(xù)冷卻貝氏體轉(zhuǎn)變的影響

1、熱變形條件對(duì)一種Cr-Mn-Mo-B鋼連續(xù)冷卻貝氏體轉(zhuǎn)變的影響李星逸劉文昌鄭煬曾(佳木斯大學(xué))(燕山大學(xué))管秀發(fā)劉月華(沈陽(yáng)重型機(jī)器廠)摘要用THERMECMASTOR-Z試驗(yàn)裝置研究了熱變形條件對(duì)一種Cr-Mn-Mo-B鋼連續(xù)冷卻條件下貝氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)及其產(chǎn)物形態(tài)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，熱變形溫度對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度的影響是非單調(diào)的，不同溫度區(qū)間其變化規(guī)律不同，這一影響取決于熱變形后奧氏體發(fā)生再結(jié)晶的程度。關(guān)鍵詞貝氏體轉(zhuǎn)變熱變形連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變EFFECT OF HOT DEFORMATION CONDITION ON CONTINUOUS COOLING TRANSFORMATION OF BA

2、INITE FOR A Cr-Mn-Mo-B STEELLI XingyiLIU WenchangZHENG Yangzeng(Jiamusi University) (Yanshan University)GUAN XiufaLIU Yuehua(Shenyang Heavy Machinery Works)ABSTRACTThe effect of hot deformation condition on continuous cooling transformation of bainite for a Cr-Mn-Mo-B steel has been studied by means

3、 of THERMECMASTOR-Z.The experimental results show that the effect of hot deformation temperature on bainite transformation temperature is not monotone.KEY WORDSbainite transformation,hot deformation,continuous cooling transformation貝氏體相變動(dòng)力學(xué)一直是貝氏體研究中備受關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)閯?dòng)力學(xué)上表現(xiàn)出的特征往往反映了特定的相變機(jī)制。目前，不同學(xué)派已用不同合金做過(guò)試驗(yàn)研

4、究，并以各自所持的觀點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作出相應(yīng)的討論和解釋，但相互之間有明顯的分歧，貝氏體相變動(dòng)力學(xué)研究成為不同學(xué)派爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一1，2。然而，在眾多的文獻(xiàn)中，奧氏體熱變形對(duì)連續(xù)冷卻條件下貝氏體轉(zhuǎn)變行為的影響研究甚少。目前，采用控制軋制和形變熱處理改善材料的力學(xué)性能和組織狀態(tài)的新技術(shù)已廣泛地得到研究和應(yīng)用3，4。隨著控軋貝氏體鋼的開發(fā)，研究奧氏體熱變形對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變機(jī)制、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和性能的影響是非常重要的。本文用熱模擬機(jī)研究了新研制的一種Cr-Mn-Mo-B鋼的熱變形條件對(duì)連續(xù)冷卻條件下貝氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)及其產(chǎn)物形態(tài)的影響，這為進(jìn)一步研究其性能控制和微觀機(jī)制以及合理地制定該鋼的熱軋工藝制度提供了理論

5、依據(jù)。1試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法試驗(yàn)用材由沈陽(yáng)重型機(jī)器廠提供，用150 kg中頻爐冶煉，澆鑄成鋼錠后鍛成1520 mm的圓棒，經(jīng)退火再切削成如圖1所示的試樣，試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分()：0.27 C，0.67 Si，1.49 Mn，1.29 Cr，0.23 Mo，0.024 Ti，0.0021 B，0.016 P，0.028 S，0.006 N。試驗(yàn)研究了奧氏體熱變形溫度、應(yīng)變速率對(duì)貝氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的影響。將熱變形的試樣分別加熱至同一奧氏體化溫度(1200 °C)，保溫2 min，然后以10 °Cs的冷速分別冷卻到不同的變形溫度(1200、1100、1000、900、800、

6、700、550 °C)，以三種變形速率(0.01、0.1、1 s-1)變形至同一變形量：0.8，然后以1 °Cs的相同冷卻速度冷至室溫，測(cè)定相變開始溫度。圖 1試樣幾何尺寸Fig.1Specimen geometry試驗(yàn)在THERMECMASTIR-Z熱加工模擬機(jī)上進(jìn)行，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，各種數(shù)據(jù)的采集由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，并繪制成圖表。2試驗(yàn)結(jié)果及討論2.1 熱變形溫度對(duì)貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度的影響從試驗(yàn)用鋼奧氏體熱變形溫度與貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(Bs)的關(guān)系曲線(圖2)可以看出，熱變形溫度對(duì)Bs的影響不是單調(diào)的。熱變形后在連續(xù)冷卻過(guò)程中將發(fā)生靜態(tài)回復(fù)與靜態(tài)再結(jié)晶以及晶

7、粒長(zhǎng)大。研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)用鋼在變形溫度高于900 °C時(shí)，在其隨后1 °Cs冷卻過(guò)程中發(fā)生了完全再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大，而在低于此溫度時(shí)沒有充分發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶5。圖3給出了單位體積有效晶界面積(SV)與貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(Bs)的關(guān)系曲線。貝氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生于過(guò)冷奧氏體中溫區(qū)，鐵和合金元素的原子已經(jīng)很難進(jìn)行擴(kuò)散，而碳原子則保持著一定的擴(kuò)散能力，這就決定了貝氏體轉(zhuǎn)變的綜合特點(diǎn)，即貝氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)有碳原子擴(kuò)散的“馬氏體圖 2熱變形溫度對(duì)Bs的影響Fig.2Effect of deformation temperature on Bs圖 3有效晶界面積(SV)對(duì)BS的影響Fig.3 Effe

8、ct of SV on Bs型”共格切變過(guò)程6。從本試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在熱變形奧氏體相變前能完成再結(jié)晶的情況下(9001200 °C)，隨著奧氏體熱變形溫度的降低，相變前奧氏體晶粒減小5。若考慮碳原子的擴(kuò)散，則隨著晶粒的細(xì)化，單位體積有效晶界面積增加，故對(duì)擴(kuò)散有利，即加速碳原子的擴(kuò)散。從這一點(diǎn)出發(fā)，隨著熱變形溫度的降低，則應(yīng)該對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變有加速作用，使得Bs升高，而試驗(yàn)結(jié)果恰恰相反。這說(shuō)明在上述情況條件下，擴(kuò)散對(duì)貝氏體相變并不占主導(dǎo)地位。由圖2可以看出，在9001200 °C范圍內(nèi)，隨著熱變形溫度的降低，貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度下降，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于隨著熱變形溫度的降低，貝氏體相

9、變前奧氏體晶粒尺寸變小，SV增大，使得在貝氏體轉(zhuǎn)變中切變阻力增加，故表現(xiàn)出Bs下降。由圖3可以看出，在本試驗(yàn)條件下，確實(shí)是隨著SV的增加，Bs下降。因此可以證明，試驗(yàn)用鋼在熱變形奧氏體能完成再結(jié)晶的情況下，在熱變形溫度對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的影響中占主導(dǎo)地位的是共格切變因素。然而，當(dāng)熱變形奧氏體從再結(jié)晶狀態(tài)過(guò)渡到未再結(jié)晶狀態(tài)時(shí)(900550 °C)，隨變形溫度的降低，貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度上升(圖2)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于未再結(jié)晶狀態(tài)下，貝氏體相變前奧氏體內(nèi)部缺陷密度比再結(jié)晶狀態(tài)下增多，這對(duì)碳的擴(kuò)散有促進(jìn)作用，從而促進(jìn)了貝氏體轉(zhuǎn)變，所以此時(shí)擴(kuò)散因素占主導(dǎo)地位。2.2熱變形溫度對(duì)貝氏體組織形

10、態(tài)的影響試驗(yàn)用鋼在本試驗(yàn)條件下得到的組織為粒狀貝氏體。金相分析表明(圖4)，奧氏體熱變形溫度增高時(shí)，將出現(xiàn)不均勻的大塊的島狀組織，隨著熱變形溫度的降低，這種大塊的島狀組織尺寸變小，數(shù)量增多，趨于均勻分布。然而，熱變形試樣的島狀組織并非單調(diào)地隨變形溫度發(fā)生變化，當(dāng)變形溫度從再結(jié)晶溫度過(guò)渡到未再結(jié)晶溫度時(shí)，又出現(xiàn)大塊狀不均勻的島狀組織，若進(jìn)一步降低變形溫度，則這種島狀組織尺寸變小，且趨于均勻分布。上述現(xiàn)象的產(chǎn)生與相變前奧氏體組織狀態(tài)有關(guān)。因?yàn)殡S著奧氏體晶粒減小，晶界增多，晶界區(qū)的內(nèi)吸附作用，此處偏聚較多的碳，形成數(shù)目更多的小島，因而小島的尺寸也減??；另外，隨著熱變形溫度升高，貝氏體相變開始溫度升高

11、，使得轉(zhuǎn)變時(shí)碳原子擴(kuò)散更為充分，從而使小島內(nèi)的平均碳量升高，島狀組織變大，數(shù)量減少。對(duì)熱變形試樣進(jìn)行透射電鏡觀察(圖5)，由于熱變形后連續(xù)冷卻，所以在透射電鏡下觀察到并非單一的一種形態(tài)的貝氏體。經(jīng)觀察不同熱變形條件下的貝氏體形態(tài)，發(fā)現(xiàn)每種變形條件下，絕大部分區(qū)域以板條狀貝氏體為主，加少量的塊狀貝氏體，在局部地區(qū)有極少量的下貝氏體組織。對(duì)條塊狀貝氏體鐵素體相上分布的孤立狀條形和塊形小島進(jìn)行衍射，斑點(diǎn)標(biāo)定的結(jié)果表明，島狀組織的晶體結(jié)構(gòu)為體心正方點(diǎn)陣(馬氏體)和面心立方點(diǎn)陣(奧氏體)的混合組織，即所謂的MA組織。3結(jié)論圖 4試驗(yàn)用鋼金相組織照片F(xiàn)ig.4Optical microstructure

12、of test steel(a)1200 °C，0.1 s-1；(b) 1000 °C，0.1 s1;(c) 800 °C，0.1 s1；(d)550 °C，0.1 s1；(e)1000 °C，0.01 s1；(f)800 °C，1 s1(1) 熱變形溫度對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度的影響不是單調(diào)的，不同溫度區(qū)間變化規(guī)律不同，這一影響取決于熱變形后奧氏體發(fā)生再結(jié)晶的程度。(2) 本試驗(yàn)條件下得到的組織為粒狀貝氏體，隨著熱變形溫度的降低，大塊狀島狀MA組織尺寸變小，數(shù)量增多，趨于均勻分布。圖 5試驗(yàn)用鋼的透射電鏡照片F(xiàn)ig.5TEM photo

13、 of test steel(a)1100 °C，0.1 s1；(b)900 °C，0.1 s1；(c)800 °C，0.1 s1；(d)1100 °C，0.1 s1；(e)800 °C，0.1 s1；(f) 900 °C，0.1 s1參考文獻(xiàn)1Hehemann R F,Kinsman K R,Aaronson H I.A Debate on the Bainite Reaction.Met.Trans.,1972(3):1077.2Purdy G R,Hillert M.On the Nature of the Bainite Tr

14、ansformation in Steels.Acta Metall.,1984(6):823.3Dionne S,Krishnadev M R,Collins L E.Influence of Processing and Cooling Rate on the Transformation Kinetics and Microstructure of Boron HSLA Steel.Proceedings of the International Symposium on Accelerated Cooling of Rolled Steel.Ruddle G E,Crawley A F,Winnipeg.Canada:Pergamon Press.1987,242