低合金高強鋼連續冷卻微觀組織轉變研究

梁國俐，苑少強，郝 斌

（唐山學院a.機電工程系；b.環境與化學工程系，河北唐山063000）

低合金高強鋼連續冷卻微觀組織轉變研究

梁國俐a，苑少強a，郝 斌b

（唐山學院a.機電工程系；b.環境與化學工程系，河北唐山063000）

通過熱膨脹法測定了低合金高強鋼CCT曲線并分析了其微觀組織的變化，結果表明，實驗鋼在3～50℃/s冷卻范圍內，均可得到貝氏體組織，當冷卻速度為30℃/s以上時還會出現部分馬氏體組織。隨著冷卻速度的提高，貝氏體開始相變溫度和轉變結束溫度相應降低，顯微組織逐漸由粒狀貝氏體向板條貝氏體轉變，且相變組織越加細小。

低合金高強鋼；熱膨脹法；相變組織

0 引言

過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線（CCT曲線）能系統地表示熱變形工藝參數、軋后冷卻速度對相變開始溫度、相變進行速度和相變產物組織的影響，它是衡量熱軋變形工藝是否恰當的重要依據，因此在實際的工業生產過程中，CCT曲線可以指導工藝設計和優化TMCP工藝，有重要的參考作用［1－2］。

通過熱膨脹法測定CCT曲線，其原理是根據鋼的各相有不同的熱膨脹系數與比容。比容按由大到小的順序排列為馬氏體＞貝氏體＞珠光體＞鐵素體＞奧氏體，所以在鋼的組織中，凡發生奧氏體分解、鐵素體析出的過程都將伴隨著體積膨脹［3－4］。

從圖1低合金高強鋼加熱和冷卻時膨脹曲線中可看出：加熱過程中，當發生鐵素體和珠光體向奧氏體轉變時，由于奧氏體的比容比鐵素體和珠光體都小，所以開始時膨脹的曲線在長度上發生收縮，待全部轉變為奧氏體后，膨脹曲線將繼續膨脹。這樣在膨脹曲線上就出現了兩個拐點，從這兩個拐點可以確定出Ac1和Ac3。冷卻過程中，當從奧氏體中析出鐵素體和奧氏體轉變為珠光體時，開始時收縮的曲線會發生膨脹，當奧氏體全部轉變為鐵素體和珠光體后，膨脹曲線又繼續收縮，從而也出現兩個拐點，并可根據拐點確定Ar3和Ar1。同理，當冷卻速度足夠大，發生奧氏體向馬氏體轉變時，同樣會引起膨脹曲線的變化而出現拐點，由此確定Ms和Mf。

圖1 低合金高強鋼的膨脹曲線

1 試驗材料及方法

試驗鋼CCT曲線和相變臨界溫度的測定在BHR DIL805A型熱膨脹儀上進行，試樣從鋼坯上取樣，尺寸為/4 ×10mm。試樣以10℃/s的速度加熱到1 000℃，保溫時間為10min，然后分別以0.5℃/s，1℃/s，3℃/s，5℃/s，10℃/s，15℃/s，20℃/s，30℃/s，40℃/s，50℃/s的冷速連續冷卻至室溫，每個試樣只用一次。通過測定連續冷卻過程中膨脹量與溫度的變化曲線，采用切線法測量試樣鋼的相變點并整理熱膨脹數據。試樣經鑲嵌、粗磨拋光后用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，并采用光學金相和電子顯微分析方法分析相變組織特征。

2 結果與分析

2.1 連續冷卻金相組織

圖2給出了試驗鋼在不同冷速連續冷卻的金相組織。當冷速為0.5～1℃/s時，組織主要為多邊形鐵素體（PF）和準多邊形鐵素體（QF）；在3～10℃/s范圍內，相變組織為準多邊形鐵素體和粒狀貝氏體（GB）混合組織，且隨冷速的增高，GB組織逐漸增高，QF組織逐漸減少；冷速高于20℃/s后，板條貝氏體（LB）組織開始出現，QF組織消失。當冷速達到20～50℃/s時相變組織由GB和LB共同組成，且隨冷卻速度的提高，GB組織逐漸減少，LB組織含量逐漸增高，相變組織也更加細小；當冷速達到50℃/s時，相變組織主要由LB組成，還有少量馬氏體存在。

2.2 連續冷卻轉變曲線

在恒定的連續冷卻速率下測出連續冷卻膨脹曲線，從曲線上得到轉變開始點和轉變終了點的溫度。再結合上述的金相組織照片繪制CCT曲線圖，如圖3所示。

從圖3中可以看到，試驗鋼相變點雖有差異，但相變組織類型基本相同。分析發現試驗鋼以不同的冷卻速度冷卻時，存在以下兩個相變區：奧氏體向鐵素體的轉變和奧氏體向貝氏體的轉變。在0.5～1℃/s冷卻范圍內，可得到多邊形鐵素體和準多邊形鐵素體，鐵素體的相變溫度在420～640℃之間；在3～50℃/s冷卻范圍內，可得到貝氏體，貝氏體相變溫度在390～620℃之間；當冷卻速度為30℃/s以上時還會出現部分馬氏體組織，貝氏體開始相變溫度為590℃左右，轉變結束溫度為400℃左右。

圖2 試驗鋼連續冷卻金相組織

圖3 試驗鋼連續冷卻轉變曲線

由圖3可知，在轉變過程中沒有出現珠光體區，通過控制冷卻速度能獲得鐵素體－貝氏體雙相組織或者是貝氏體組織，這是由于中強碳化物及強碳化物元素鉻、鉬、釩等的加入。鉻能顯著提高過冷奧氏體的穩定性，使轉變孕育期延長，同時使珠光體轉變向高溫方向移動，貝氏體轉變向低溫方向移動，從而使珠光體區和貝氏體區分離。鉬對珠光體轉變亦有強烈的抑制作用，但對貝氏體轉變影響并不顯著，因而在相當大的冷卻速度范圍內可獲得全部是貝氏體的組織。另外，鉬還能抑制先共析鐵素體的析出，使CCT曲線右移及珠光體區和貝氏體區的分離，出現過冷奧氏體的亞穩定區，增加了鋼的淬透性。

另外，由于靜態連續冷卻過程中未發生變形，若考慮變形因素的影響，則奧氏體變形會增加奧氏體內的缺陷密度，而缺陷一方面儲存了大量的畸變能，另一方面有利于鐵原子與碳原子的擴散，因此，變形奧氏體中鐵素體和珠光體的形核速率增加，從而縮短了鐵素體相變和珠光體相變的孕育期。而在未再結晶區進行多道次變形，晶粒不僅被拉長，晶內還可能出現較多的變形帶，存在大量的析出位置，使奧氏體向鐵素體轉變動力學增加，提高了相變溫度。同時，由于大量的形核位置被提供，使相變后鐵素體的晶粒更加細化。形變也使低碳貝氏體鋼等溫相變孕育期縮短，使連續冷卻相變溫度提高，促進了連續冷卻時的貝氏體和多邊形鐵素體相變，相變開始點和結束點均有提高，使貝氏體和多邊形鐵素體轉變曲線向左上方移動。

3 結論

試驗鋼在3～50℃/s冷卻范圍內，均可得到貝氏體組織，當冷卻速度為30℃/s以上時還會出現部分馬氏體組織。隨著冷卻速度的提高，貝氏體開始相變溫度和轉變結束溫度相應降低，顯微組織逐漸由粒狀貝氏體向板條貝氏體轉變，且相變組織越加細小。

［1］ Peng Huifen，Ma Xiaoli，Song Xiaoyan.Microstructure and properties of the 25Si2MnCrMo martensite microalloyed steel［C］.Transaction of Materials and Heat Treatment Proceedings of the 14TH IFHTSE Congress，2004，25（5）：275－278.

［2］ 余馳斌，顏飛，趙剛.奧氏體變形及其對連續冷卻相變的影響［J］.鋼鐵釩鈦，2004，25（2）：23－26.

［3］ 張世中.鋼的過冷奧氏體轉變曲線圖集［M］.北京：冶金工業出版社，1993：1－21.

［4］ 潘濤，楊志剛，白秉哲，等.鋼中夾雜物與奧氏體基體熱膨脹系數差異導致的熱應力和應變能研究［J］.金屬學報，2003，39（10）：1037－1042.

（責任編校：李秀榮）

Study on Microstructure Transformation of Low Alloy High Strength Steel in Continuous Cooling

LIANG Guo－lia，YUAN Shao－qianga，HAO Binb

（a.Department of Electromechanical Engineering；b.Department of Environmental chemistry and Engineering，Tangshan College，Tangshan 063000，China）

This paper studies the microstructure transformation by thermal expansion method based on the high strength low alloy steel.The results show that the bainite structure can be got when the cooling rate is 3～50℃/s.When the cooling rate is above 30℃/s，part of martensite can be got.With the increase of cooling rate，the bainite start temperature and finish temperature is correspondingly reduced with cooling rate increase.The microstructure gradually transformed from the granular bainite to lath bainite，and the microstructure is very fine.

high strength low alloy steel；thermal expansion method；phase transformation microstructure

book=63,ebook=63

TG113.12

A

1672－349X（2012）03－0071－03

2012－02－29

河北省自然科學基金－鋼鐵聯合研究基金項目（E2011105006）

梁國俐（1974－），女，河北豐潤人，副教授，博士研究生，主要從事新型材料焊機工藝研究。