等溫溫度和時間對超級貝氏體鋼Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si相變和組織性能的影響

劉 曼，徐 光，周明星，田俊羽，袁 清

(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.武漢科技大學高性能鋼鐵材料及其應用湖北省協同創新中心，湖北 武漢，430081)

等溫溫度和時間對超級貝氏體鋼Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si相變和組織性能的影響

劉 曼，徐 光，周明星，田俊羽，袁 清

(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.武漢科技大學高性能鋼鐵材料及其應用湖北省協同創新中心，湖北 武漢，430081)

以超級貝氏體鋼Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si為對象，通過熱模擬試驗、掃描電鏡、X射線衍射分析和拉伸試驗等方法，研究等溫轉變溫度和保溫時間對試驗鋼的貝氏體相變、微觀組織和力學性能的影響。結果表明，隨著等溫轉變溫度的降低，鋼的顯微組織中貝氏體形貌從顆粒狀貝氏體轉變為板條狀貝氏體，其強度逐漸提高，但伸長率和強塑積先增大后減小；隨著保溫時間的增加，鋼的抗拉強度逐漸降低，而伸長率和強塑積逐漸增大，因此可通過適當延長相變時間來改善鋼的綜合力學性能；在350 ℃下保溫90 min時，試驗鋼顯微組織中殘余奧氏體體積分數最大，且具有最大強塑積。

貝氏體鋼；等溫溫度；保溫時間；相變；殘余奧氏體；顯微組織；力學性能

近年來，超級貝氏體鋼受到業界越來越多的關注。這類鋼中的超細板條貝氏體具有高強度，板條貝氏體之間的薄膜狀殘余奧氏體(RA)通過TRIP效應，又可以提高鋼的塑性[1-2]，因此，無碳化物板條貝氏體和一定量的殘余奧氏體組合使得材料具有優異的強韌性能[3-4]。

貝氏體等溫相變溫度和保溫時間影響貝氏體鋼最終的組織和性能。Guo等[5]分析了在200～300 ℃保溫不同時間對貝氏體形貌和顯微組織的影響，結果顯示，在不同等溫條件下，貝氏體尺寸均能達到納米級，且隨著等溫溫度的降低而逐漸減小。Sharma等[6]研究表明，含碳量為0.47%(質量分數，下同)的貝氏體鋼在350 ℃下保溫30 min時，其強度可達1517 MPa、延伸率為12%。Huang等[7]探討了高碳貝氏體鋼ZWZ12(含碳量為1%)等溫熱處理工藝參數的優化問題，結果表明在200 ℃下保溫6 h時，試驗鋼可獲得強度為1363 MPa、延伸率為13%的良好力學性能。

本研究以超級貝氏體鋼Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si為對象，通過熱模擬試驗、掃描電鏡、X射線衍射分析和拉伸試驗等方法，分析等溫轉變溫度和保溫時間對試驗鋼的相變、組織和性能的影響，以期為超級貝氏體鋼熱處理工藝參數的設定提供依據。

1 試驗

試驗鋼Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si在真空感應爐中冶煉，然后鑄成80 kg鋼錠，并在四輥軋機上軋制成12 mm厚的鋼板。

為了定量分析相變溫度和保溫時間對貝氏體相變的影響，如圖1所示，將上述圓柱試樣以10 ℃/s的速率加熱到1000 ℃，保溫15 min進行奧氏體化，然后以10 ℃/s的速率冷卻到貝氏體等溫轉變溫度，保溫30～90 min，再以25 ℃/s的速率冷卻到室溫。用Nova 400 Nano場發射掃描電鏡(FE-SEM)觀察熱模擬試驗后的試樣組織，加速電壓為20 kV。在BRUKER D8 ADVANCE型X射線衍射儀上進行XRD分析，以確定試樣中殘余奧氏體的體積分數，工作電壓和電流分別為40 kV和40 mA。

為了研究等溫溫度和時間對試驗鋼力學性能的影響，從原始熱軋鋼板中取140 mm×20 mm×10 mm的鋼塊，在ThermecMaster-Z熱模擬機上按圖1所示進行熱模擬試驗，然后在UTM-4503電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率設為1 mm/min，取4次試驗的平均值作為最終結果。

圖1 熱處理工藝流程

2 試驗結果及分析

2.1 等溫溫度對試驗鋼組織和性能的影響

2.1.1 顯微組織

圖2所示為不同等溫相變溫度下保溫90 min試樣的SEM照片。由圖2可以看出，在不同溫度下，貝氏體組織形貌和轉變量明顯不同。在400 ℃下等溫轉變時，試樣的微觀組織主要由粒狀貝氏體和馬氏體/奧氏體(M/A)組成；在350 ℃和300 ℃下等溫轉變時，試樣組織中只有少量粒狀貝氏體，更多的是板條狀貝氏體；隨著等溫溫度的降低，貝氏體束變得更細長，而且貝氏體的轉變量也在增加。

根據試樣的XRD圖譜，使用HighScore Plus軟件精確測定衍射峰的積分強度。由(200)α、(211)α、(200)γ和(220)γ衍射峰的積分強度可以計算出殘余奧氏體(RA)的體積分數。對于300、350、400 ℃等溫轉變90 min的試樣，其殘余奧氏體體積分數分別為5.8%、11.3%和9.7%，即隨著等溫溫度的降低，RA的體積分數先增加后減小。這是因為，隨著等溫溫度的降低，貝氏體轉變量增加，馬氏體轉變量降低，貝氏體和馬氏體轉變的綜合作用決定RA的體積分數。

(a)400 ℃ (b)350 ℃

(c)300 ℃

圖3為不同溫度下保溫90 min試樣的膨脹曲線。保溫期間，試樣顯微組織發生了從面心立方(fcc)結構到體心立方(bcc)結構的晶格變化，即從γ-奧氏體相轉變為α-鐵素體相。fcc和bcc的致密度分別為0.74和0.68，導致貝氏體轉變后試樣體積增加[8-9]，因此，試樣的膨脹量可以表征其實際的貝氏體轉變量。由圖3可以看出，在400、350、300 ℃下保溫90 min后，試樣的膨脹量分別達到0.036、0.043、0.052 mm，表明300 ℃時試樣微觀組織中貝氏體的轉變量最多，400 ℃時貝氏體的轉變量最少，這與圖2中的觀察結果是一致的。

圖3 不同溫度下保溫90 min試樣的膨脹曲線

Fig.3Dilatationcurvesofthesamplestransformedatdifferentisothermaltemperaturesfor90min

貝氏體轉變量隨著轉變溫度的降低而增加的原因分析如下：盡管在較低的轉變溫度下，碳的擴散速率變慢而導致形核速率降低，但此時的過冷度大，貝氏體生長的驅動力較大，與形核相比，長大過程在整個貝氏體相變中起著更重要的作用[8-9]，所以轉變溫度越低，貝氏體轉變量就越大。這也可以通過T0曲線來解釋。T0曲線是指相圖中某一溫度下相同成分奧氏體和鐵素體的吉布斯自由能相等時各點的連線[10]。當貝氏體形成時，多余的碳立即分配到周圍的奧氏體中，故隨著反應的進行，未轉變奧氏體的碳濃度不斷增加。只有當未轉變奧氏體的碳濃度低于T0曲線對應的碳濃度時，貝氏體轉變才可以繼續進行，因此貝氏體的最大轉變量取決于未轉變奧氏體儲存碳的能力。奧氏體儲存碳的能力越大，貝氏體轉變量越大[11]。采用MUCG83軟件可計算得到試驗鋼的T0曲線如圖4所示。由圖4可知，未轉變奧氏體儲存碳的能力隨著溫度的降低而增加，所以試驗鋼在較低的轉變溫度下可獲得更多的貝氏體。

根據圖3中的膨脹曲線，可以得出等溫期間試樣中貝氏體的相對體積分數(由試樣的瞬時膨脹量除以最大膨脹量來表征)，見圖5。由圖5可以看出，保溫時間相同時，貝氏體相變速率在400 ℃時最大，在300 ℃時最小，即隨著等溫溫度的降低，試樣的貝氏體相變速率逐漸下降。這是因為高溫時碳擴散更容易，貝氏體的形核速率更快，所以貝氏體相變速率更快[12-13]。此外，由圖5還可以看出，隨著等溫溫度的升高，貝氏體轉變完成所消耗的時間逐漸縮短。

圖4 試驗鋼的T0曲線

圖5不同溫度下保溫90 min試樣的貝氏體相對體積分數

Fig.5Relativevolumefractionsofthesamplestransformedatdifferentisothermaltemperaturesfor90min

2.1.2 力學性能

圖6給出了在不同轉變溫度下保溫90 min試樣的力學性能。在300 ℃下等溫轉變，試樣的抗拉強度為1398 MPa，比在350 ℃和400 ℃下等溫轉變試樣的抗拉強度分別提高了107 MPa和214 MPa。顯然，隨著等溫溫度的降低，試樣的抗拉強度逐漸增大。然而，當等溫溫度逐漸下降時，試樣的總伸長率先增大后減小，350 ℃時試樣的總伸長率最大(11.8%)。由圖6(b)可見，在350 ℃下等溫轉變試樣的強塑積具有最大值，因此其具有最佳的綜合力學性能。分析上述現象的原因：一方面，貝氏體的形貌對鋼的力學性能有重要影響，如前所述，隨著等溫轉變溫度的降低，試樣中貝氏體形貌從粒狀貝氏體轉變為板條貝氏體，而板條狀貝氏體的形成有利于貝氏體強度的增大；另一方面，試樣的力學性能不僅受貝氏體數量和形貌的影響，還取決于殘余奧氏體體積分數等其他因素。Jiang等[14]指出，TRIP鋼中殘余奧氏體的穩定性和數量是影響其力學性能(強度和延展性)的重要因素。Hu等[15]研究表明，貝氏體鋼中殘余奧氏體的數量越多，其延展性越好。本研究中，在350 ℃下保溫90 min的試樣中殘余奧氏體的體積分數最大(11.3%)，所以其具有最大的伸長率和強塑積。

(a)抗拉強度和總伸長率 (b)強塑積

圖6不同溫度下保溫90min試樣的力學性能

Fig.6Mechanicalpropertiesofthesamplestransformedatdifferentisothermaltemperaturesfor90min

2.2 保溫時間對試驗鋼組織和性能的影響

2.2.1 顯微結構

圖7為在300 ℃下保溫不同時間試樣的SEM照片。由圖7可以看出，當保溫時間由30 min延長至60 min時，試樣中貝氏體數量明顯增加，保溫時間繼續延長至90 min時，貝氏體數量持續增加，但增幅減小。此外，試樣中馬氏體的轉變量隨著保溫時間的延長而降低。上述現象與圖5中300 ℃等溫轉變試樣的貝氏體相對體積分數的變化情況是一致的，即前30 min內，試樣中貝氏體相急劇增加，30～60 min貝氏體相變減緩，60 min后相變接近完成。

(a)30 min (b)60 min

(c)90 min

2.2.2 力學性能

圖8所示為300 ℃下保溫不同時間試樣的力學性能。由圖8可知，與保溫30 min的試樣相比，保溫60 min和90 min試樣的抗拉強度分別降低了55 MPa和92 MPa。另一方面，當保溫時間從30 min延長至90 min時，試樣的總伸長率從5.9%增至9.2%。這是因為，過冷奧氏體在等溫相變過程中轉變為貝氏體，然后在空冷過程中，未分解的奧氏體轉變為馬氏體[16]，隨著保溫時間的延長，貝氏體的轉變量增加，馬氏體的轉變量減少，因此試驗鋼的強度降低、伸長率和強塑積增大，這意味著可以通過延長保溫時間來改善貝氏體鋼的綜合力學性能。

(a)抗拉強度和總伸長率 (b)強塑積

圖8在300℃下保溫不同時間試樣的力學性能

Fig.8Mechanicalpropertiesofthesamplestransformedat300℃fordifferentlengthsoftime

3 結論

(1)隨著等溫轉變溫度的降低，超級貝氏體鋼Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si中的貝氏體形貌從粒狀貝氏體變成板條貝氏體，貝氏體轉變量逐漸增加，而殘余奧氏體的體積分數先上升后下降。隨著保溫時間的延長，Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si鋼中的貝氏體含量逐漸增加，但保溫60 min 后，貝氏體相變接近完成。

(2)Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si鋼的強塑積隨相變溫度的降低先增加后減小，隨保溫時間的延長而增加。在本研究所設定的熱處理工藝參數范圍內，350 ℃下保溫90 min時，試驗鋼具有最佳的綜合力學性能。

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Effectsofisothermaltemperatureandholdingtimeonphasetransformation,microstructureandpropertiesofsuperbainiticsteelFe-0.40C-2.2Mn-1.5Si

LiuMan,XuGuang,ZhouMingxing,TianJunyu,YuanQing

(1.State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Advanced Steels, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

The effects of isothermal temperature and holding time on bainitic transformation, microstructure and properties of a super bainitic steel Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si were studied by thermal simulating test, SEM, XRD and tensile tests. The results show that with the decrease of isothermal temperature, microstructure of the steel changes from granular bainite to lath-like bainite, and its strength gradually improves while its elongation and product of strength and elongation (PSE) first increase and then decrease. In addition, with the extension of isothermal holding time, the tensile strength decreases whereas the elongation and PSE increase. So the comprehensive mechanical properties of the bainitic steel can be improved by prolonging the transformation time properly. The steel sample transformed at 350 °C for 90 min has the maximum volume fraction of retained austenite and the optimum PSE.

bainitic steel; isothermal temperature; temperature holding time; phase transformation; retained austenite; microstructure; mechanical property

2017-05-19

國家自然科學基金面上項目(51274154)；湖北省科技創新專項重大項目(2017000011).

劉 曼(1994-)，女，武漢科技大學碩士生.E-mail:1993326537@qq.com

徐 光(1961-)，男，武漢科技大學教授，博士生導師.E-mail:xuguang@wust.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.05.005

TG156.1

A

1674-3644(2017)05-0344-06

[責任編輯尚晶]