超級貝氏體鋼的熱處理工藝及性能研究

張 聰，汪 淼，胡 鋒，吳開明，羅迪歐諾娃·伊琳娜

（1.武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北武漢，430081；2.武漢科技大學國際鋼鐵研究院，湖北武漢，430081；3.俄羅斯巴爾金中央黑色冶金科學研究院，俄羅斯莫斯科，105005）

超級貝氏體鋼的熱處理工藝及性能研究

張 聰1，2，汪 淼1，2，胡 鋒1，2，吳開明1，2，羅迪歐諾娃·伊琳娜3

（1.武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北武漢，430081；2.武漢科技大學國際鋼鐵研究院，湖北武漢，430081；3.俄羅斯巴爾金中央黑色冶金科學研究院，俄羅斯莫斯科，105005）

本文對比研究了一步、二步等溫貝氏體轉變及貝氏體轉變+碳分配熱處理工藝對超級貝氏體鋼微觀組織與力學性能的影響。結果表明，三種工藝處理后的試驗鋼組織主要為納米級貝氏體鐵素體及殘余奧氏體，且與一步法相比，二步等溫貝氏體轉變及貝氏體轉變+碳分配處理后的超級貝氏體鋼組織更為細小，殘余奧氏體的體積分數下降，力學性能顯著提升，而貝氏體轉變+碳分配處理工藝的熱處理時間則相對較短。

超級貝氏體鋼；貝氏體轉變；碳分配；顯微組織；力學性能

Bhadeshia、Caballeo等［1-4］創新研發的高硅高碳低合金超級貝氏體鋼，具有良好的強韌性配合，與普通低碳鋼相比，該類鋼經奧氏體化后可在更低的溫度下發生貝氏體相變，進而獲得納米結構的貝氏體鐵素體板條以及薄膜狀的殘余奧氏體組織，其抗拉強度最高可達2500 MPa，韌性大于30～40 J。然而，經傳統的等溫轉變得到的超級貝氏體鋼，其殘余奧氏體中碳含量較高，這會導致其相變驅動力減少，并使C曲線右移，因此需大大延長等溫時間才能保證足夠含量納米級的貝氏體生成；此外，進一步降低貝氏體等溫轉變溫度雖有助于獲得板條更為細小的貝氏體組織，但長達數天的轉變時間則制約了其在工業生產上的應用。徐祖耀等［5］提出了一種超高強度鋼的熱處理工藝，即“淬火-碳分配-回火”工藝，其在馬氏體轉變的基礎上，增加了碳分配與回火階段，使C從過飽和馬氏體中擴散至殘余奧氏體中，復雜碳化物也會在回火階段從馬氏體基體中析出，同時起到了增加鋼塑韌性以及析出強化的效果。

基于此，本文提出了一種貝氏體轉變+碳分配工藝，并與等溫貝氏體轉變工藝進行對比，研究了不同熱處理方式對超級貝氏體鋼顯微組織與力學性能的影響，以期為強韌性良好的超級貝氏體鋼的研發及工藝優化提供理論依據。

1　試驗材料與方法

試驗材料為武漢鋼鐵（集團）公司某廠生產的熱軋鋼板，其化學成分如表1所示。

表1　超級貝氏體鋼的化學成分（wB/%）Table 1 Chemical compositions of super bainitic steel

根據J-Mat Pro軟件［6］和MUCG83軟件［7］計算的CCT、TTT曲線以及Gleeble 3500熱模擬試驗機［8］測定的熱膨脹曲線，可得超級貝氏體鋼的馬氏體相變溫度（MS）為208℃，貝氏體相變溫度（BS）為450℃，Ac1為721℃，Ac3為757℃。據此，采用如圖1所示的工藝分別對超級貝氏體鋼進行熱處理。

圖1　超級貝氏體鋼的熱處理工藝Fig.1 Heat treatment processes for super bainitic steel

在熱處理試樣上截取橫截面為10 mm×10 mm的樣品，打磨拋光后，用4%硝酸酒精進行腐蝕，采用Olympus BM51型光學顯微鏡（OM）及Nova 400 Nano型掃描電鏡（SEM）觀察試樣的組織形貌；根據GB/T 228—2002測定試樣的室溫拉伸性能；根據GB/T 229—2007測定試樣室溫及-40℃下的沖擊吸收功。

2　結果與分析

2.1顯微組織

圖2和圖3分別為不同工藝熱處理后試樣的OM和SEM照片。從圖2中可以看出，試驗鋼的熱處理組織均為殘余奧氏體（白色）及貝氏體鐵素體（黑色），經一步等溫貝氏體轉變得到的組織中，其殘余奧氏體塊狀較大（圖2（a）），而經兩步法處理后，組織中塊狀殘余奧氏體的尺寸顯著減小，其體積分數也明顯下降（圖2（b）和圖2（c））。

圖2　熱處理后超級貝氏體鋼的OM照片Fig.2 Optical micrographs of super bainitic steel after heat treatment

從圖3中可進一步看出，試驗鋼顯微組織由納米結構貝氏體鐵素體（BF）及塊狀或薄膜狀殘余奧氏體（RA）組成，納米結構貝氏體分布于殘余奧氏體基體上；經兩步工藝處理后的貝氏體組織均較為細?。▓D3（b）和圖3（c）），且二步等溫貝氏體轉變后殘余奧氏體的體積分數相對更少，但其等溫階段的時間（24 h）明顯長于貝氏體轉變+碳分配工藝（30 min）。

圖3　熱處理后超級貝氏體鋼的SEM照片Fig.3 SEM micrographs of super bainitic steel after heat treatment

2.2力學性能

表2為經不同工藝熱處理后超級貝氏體鋼的力學性能。由表2可知，經過二步法處理后，試驗鋼的屈服強度提升至1300 MPa水平，且與一步等溫貝氏體轉變法相比，漲幅分別為29.3%和28.9%，其抗拉強度也提升至1600 MPa左右水平，漲幅分別為16.3%和9.31%；由此可見，二步等溫貝氏體轉變得到超級貝氏體鋼的強度最佳。在韌性方面，實驗結果并不理想，經過二步法處理后的試樣，其室溫與低溫韌性雖然較一步法有所提高，但區別并不明顯。

表2　不同熱處理工藝下超級貝氏體鋼的力學性能Table 2 Mechanical properties of super bainitic steel after heat treatment

3　討論

3.1熱處理工藝對材料組織的影響

綜合上述實驗結果，結合如圖4所示的超級貝氏體鋼在不同工藝熱處理后的TEM照片［9-10］可知，試驗鋼經過低溫貝氏體轉變，可獲得納米級貝氏體鐵素體板條及殘余奧氏體組織，同時在貝氏體板條中也可觀察到Fe-C碳化物顆粒；而其經過貝氏體轉變+碳分配工藝處理后，其顯微組織主要為納米結構的貝氏體、殘余奧氏體、鐵素體及細小的碳化物；經二步等溫貝氏體轉變及貝氏體轉變+碳分配工藝處理后的試驗鋼，其殘余奧氏體顯著細化，且新形成的貝氏體或鐵素體板條都更為細小，原因是新形成的貝氏體或鐵素體將原來的薄膜狀和微米/亞微米塊狀殘余奧氏體塊分隔成更小的區域，且都形成了富碳的納米級貝氏體或鐵素體。

圖4　超級貝氏體鋼的TEM照片Fig.4 TEM micrographs of super bainitic steel

另一方面，對于二步等溫貝氏體轉變而言，由于未轉變奧氏體會在第二步更低的等溫溫度下保持足夠長的時間，這使得殘余奧氏體會進一步向納米級貝氏體鐵素體轉變。在汪興?。?1］的研究結果中該現象也同樣存在，即在多步等溫貝氏體轉變的中碳鋼（w（C）=0.30%，w（Si）=1.46%）中，第一步生成的貝氏體也會在第二步等溫過程中得到細化；而Caballero等［12-14］在超級貝氏體的回火過程中，并未發現C從過飽和的貝氏體鐵素體向富碳殘余奧氏體中分配，同時觀察到450℃回火30 min時，一些殘余奧氏體也分解為鐵素體和滲碳體。

而對于貝氏體轉變+碳分配工藝處理的試驗鋼，由于在碳分配過程中，未轉變奧氏體分解成鐵素體和碳化物只需很短的時間，殘余奧氏體中的C可能會向貝氏體擴散，未轉變的富碳奧氏體也可進一步分解為細小的鐵素體和碳化物；在最后水淬階段，由于殘余奧氏體中含碳量較高，使馬氏體轉變溫度大幅降低并低于室溫，因此中高碳鋼的淬火階段并不會有馬氏體生成。

3.2熱處理工藝對材料力學性能的影響

經過二步等溫貝氏體轉變和貝氏體轉變+碳分配工藝處理后，試驗鋼力學性能顯著提高，這主要與顯微組織類型及晶粒尺寸有關，由于細晶強化及析出強化作用的存在，納米級的組織及碳化物顆粒的形成使試驗鋼的強度得到顯著的提高，而貝氏體轉變+碳分配處理中生成的納米級鐵素體板條與在多步貝氏體轉變處理中生成的納米級的貝氏體板條都能顯著提高鋼的韌性［10］。

本實驗熱處理后鋼的整體韌性不佳，可能是由于該納米結構貝氏體組織在沖擊過程中，應變誘導馬氏體相變的區域非常淺，距離沖擊斷口附近只有幾微米，因此在樣品沖擊過程中當裂紋產生與擴展時，裂紋尖端處會立即發生應變誘導馬氏體相變，而連續的馬氏體相變很大程度上促進了裂紋的擴展，進而導致沖擊實驗得到的沖擊韌性較低［15］。與常規情況下殘余奧氏體在應力作用下發生馬氏體轉變時的有益作用相反，此時殘余奧氏體在沖擊實驗中反而會使韌性下降。

4　結論

（1）常規一步等溫貝氏體轉變得到的顯微組織為貝氏體和殘余奧氏體，二步等溫貝氏體轉變所得顯微組織為納米級貝氏體和殘余奧氏體，貝氏體轉變+碳分配工藝所得顯微組織為納米級貝氏體、殘余奧氏體和鐵素體。相對于一步等溫貝氏體轉變，二步等溫貝氏體轉變和貝氏體轉變+碳分配工藝得到的貝氏體組織更為細小，殘余奧氏體體積分數明顯下降。

（2）貝氏體轉變+碳分配工藝在得到與二步等溫貝氏體轉變工藝類似力學性能材料的同時，能大幅度地節省熱處理時間。

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［責任編輯 董 貞］

Heat treatment processes and properties of super bainitic steels

Zhang Cong1，2，Wang Miao1，2，Hu Feng1，2，Wu Kaiming1，2，Rodionova Irina3
（1.State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.International Research Institute for Steel Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；3.I.P.Bardin Central Research Institute for Ferrous Metallurgy，Moscow 105005，Russia）

In this paper，the effects of heat treatment processes，including one-step and two-step isothermal bainitic transformation as well as bainitic transformation+carbon partitioning，on the microstructures and mechanical properties of super bainitic steels were investigated comparatively.The results show that microstructures of investigated steels after three different heat treatment processes are nanostructured bainitic ferrite and retained austenite.Compared with one-step method，the super bainitic steels treated by two-step isothermal bainitic transformation and bainitic transformation+carbon partitioning techiniques exhibit finer microstructures，lower volume fractions of retained austenite and better mechnical properties，but the bainitic transformation+carbon partitioning method requires shorter heat treatment time.

super bainitic steel；bainitic transformation；carbon partitioning；microstructure；mechanical property

TG142

A

1674-3644（2016）05-0321-04

2016-03-07

湖北省科技支撐計劃（對外科技合作類）資助項目（2015BHE00815）.

張 聰（1990-），女，武漢科技大學碩士生.E-mail:1584549347@qq.com

吳開明（1966-），男，武漢科技大學教授，博士生導師.E-mail:wukaiming@wust.edu.cn