碳含量對微合金化鑄鋼組織與性能的影響

葉丁，包文兵，李潤泉

（格特拉克(江西)傳動系統有限公司，江西 南昌 330000）

微合金是指鋼中加入的某些元素的含量比較低，通常低于0.1%。加入的這些低含量的元素稱為微合金化元素。微合金化鋼是在C-Mn鋼或低合金鋼中添加微量元素（＜0.1%的Nb、V、Ti，有時還包括B、A1、RE)進行合金化，通過高純潔度冶煉，控軋（鍛）控冷(TMCP)，獲得細晶、碳氮化物沉淀強化的高強度、高韌性，高可焊性、良好成形性的鋼種。

碳作為強化材料性能的重要元素，在微合金化基礎上，其含量的變化可對材料的性能產生一定影響。

本工作的目的就是探究碳含量對微合金化鑄鋼組織和力學性能的影響。通過觀察顯微組織和測定力學性能，得到顯微組織和力學性能較好條件下的含碳量。隨后分析碳含量對組織和性能產生影響的原因。

1 試驗材料及實驗內容

1.1 試驗材料

本實驗以牌號為ASTMA487-4B的微合金化鑄鋼為研究對象，分別分析含碳量為0.09%、0.12%、0.14%、0.16%四種試樣的顯微組織和力學性能。使用QS7500直讀光譜儀對成型的微合金化鑄鋼進行成分分析，結果如表1所示。

表1 QS7500直讀光譜儀檢測結果 %

1.2 試樣制備

（1）組織觀察試樣制備

利用線切割加工技術在鑄造試樣上取樣，將試樣依次用600#、800#、1000#、1200#的金相碳化硅金相砂紙研磨，每換一張砂紙，試樣換90°方向研磨，直到試樣的斷面沒有肉眼可見的明顯劃痕為止；使用拋光液（氧化鋁拋光粉的懸浮液）在配有短毛拋光布的拋光機（型號為PG-2D）上進行拋光，得到光亮無痕的鏡面；清洗拋光好的試樣，洗凈后將試樣放在4%的硝酸酒精溶液中腐蝕大約10s，表面呈暗灰色；腐蝕后用水沖洗，隨后用蘸無水乙醇的棉球擦干，靜置干燥。

（2）力學性能測試試樣制備

將熱處理完的鑄件用Y100切割機切割成試棒后，送到機加工車間，加工成標準拉伸試樣及標準的沖擊試樣。

2 試驗結果與分析

2.1 微合金化鑄鋼顯微組織

使用Nikon Eclipse LV100 POL偏光顯微鏡進行組織觀察分析。圖1是含碳量分別為0.09%、0.12%、0.14%、0.16%的光學組織照片。拍攝倍數為1000倍。四種含碳量的組織均為回火索氏體。從圖中看出，索氏體呈長條狀和塊狀。四種含碳量的光學組織當中，含碳量0.09%、0.12%和0.14%中均出現少量尺寸較大的塊狀的回火索氏體，而含碳量0.16%時未出現，該含碳量下晶粒大小相對均勻。

隨著含碳量增加，回火索氏體由多邊形的塊狀變得更加規整、均勻且條狀的回火索氏體的數量有所減少。碳含量為0.12%照片中，可以看到一些黑色顆粒分布在回火索氏體晶界上，這些黑色顆粒是夾雜物，可能是澆注過程中引入的。碳含量為0.16%時，回火索氏體的形狀、尺寸均勻，只有少量保持著原馬氏體的位相關系的條狀組織。這是由于含碳量越高，碳化物數量越多，這些碳化物的溶解溫度較高，在鑄鋼進行奧氏體化時溶解量很少，能有效阻礙奧氏體晶粒長大，同時也使得組織變得更加規整。

圖1 不同碳含量微合金化鑄鋼顯微組織（1000×）

2.2 ASTMA487-4B的微合金化鑄鋼晶粒尺寸測定

利用Image-Pro Plus 6.0軟件對拍攝的顯微組織照片采用劃線法計算平均晶粒直徑。圖2是不同含碳量的晶粒尺寸大小分布的直方圖。從圖中可以看出，隨含碳量增加，晶粒尺寸越來越小。四種碳含量的晶粒尺寸相差并不明顯，均為20μm范圍內。根據晶粒度等級劃分的標準，本實驗四種碳含量屬于細晶粒范疇。碳含量為0.09%時的晶粒尺寸最大，超過20μm，其他三種碳含量的晶粒尺寸在20μm以下。碳含量為0.16%時的晶粒尺寸最小，僅17.2μm。微合金元素形成的碳化物有效的發揮了細化晶粒的作用，使得晶粒得到明顯的細化。

圖2 不同碳含量微合金化鑄鋼晶粒尺寸大小

2.3 ASTMA487-4B的微合金化鑄鋼力學性能分析

（1）將標準的拉伸試樣在萬能拉力試驗機上進行拉伸試驗，圖3為不同碳含量下的抗拉強度和屈服強度。從圖中觀察，含碳量為0.09%、0.12%和0.14%時試樣的屈服強度和抗拉強度基本相同。含碳量為0.14%時屈服強度和抗拉強度達到最小，在含碳量為0.16%時達到最大。

圖3 不同碳含量下微合金化鑄鋼抗拉強度和屈服強度

圖4反映了碳含量對材料的延伸率和斷面收縮率的影響。斷面收縮率和延伸率均降低再增加，在碳含量為0.12%時達到最低，其他三種含碳量的延伸率和斷面收縮率相差并不明顯。含碳量為0.12%時的斷面收縮率最低的原因為如下。

①夾雜物。從試樣光學顯微組織圖1(b)可以看出，碳含量為0.12%時，晶界上存在一些黑點。這些黑點不規則的排布在晶界上，極大的降低材料韌性。這些夾雜物可能是在澆鑄前扒渣不充分而保留在試樣中。

②化學成分。相比其他三種含碳量化學成分，含碳量為0.12%的試樣中S、P等含量較高容易形成硫化物和磷化物。這些有害物質向晶界聚集長大，增加了材料脆性。

圖4 不同碳含量下微合金化鑄鋼斷面收縮率和延伸率

（2）將V型缺口夏比試樣經低溫酒精冷卻到-40℃后，在JB30A型沖擊試驗機上測材料的沖擊功。圖5反映了不同碳含量下對-40℃低溫沖擊功。在碳含量為0.09%和0.12%時的低溫脆性相似，處于較低水平；含碳量為0.14%和0.16%時的低溫脆性也相似，處于較高水平。導致這種差異的原因為如下。

①化學成分。含碳量為0.09%和0.12%下的P、S含量較高，容易形成磷化物和硫化物，這些有害物質偏聚于晶界，降低晶界表面能，產生沿晶脆性斷裂傾向，同時降低脆斷應力。碳含量為0.14%和0.16%的低溫沖擊功較大可能是雜質偏析較少且晶粒較為細小。細化晶粒后，晶界總面積增加，境界上的雜質濃度減少，避免沿晶脆性斷裂；晶界前塞積位錯減少，利于降低應力集中。

②夾雜物。對比四種含碳量的光學組織照片圖1，發現含碳量為0.09%和0.12%的晶界上偏聚了數量較多的雜質。這些雜質容易產生沿晶脆性斷裂，對低溫韌性的危害非常大。

圖5 不同碳含量下微合金化鑄鋼-40℃低溫沖擊功

（3）在HB-3000布氏硬度計上測材料布氏硬度。圖6反映不同碳含量下微合金化鑄鋼布氏硬度。從圖6可以看出，整體而言隨著含碳量增加，材料硬度變大。說明碳含量的增加能增加材料硬度。但是在含碳量為0.12%時，硬度出現最小值。其原因為如下。

①該試樣中V元素的含量較低，固溶強化作用較弱，導致硬度降低。而其他三組試樣的V含量相近，含碳量增加，固溶強化作用增強，硬度增大。

②如前所述，含碳量為0.12%的試樣中存在較多的夾雜物，這些夾雜物的硬度都相對較低。在測量硬度時，硬度計的探頭可能打在夾雜物上，從而導致硬度偏低（圖6）。

3 結語

（1）不同碳含量對ASTM A487-4B微合金化鑄鋼的組織存在影響。在一定的范圍內，含碳量越高，晶粒越細小，各含碳量組織的晶粒大小在20μm范圍波動，含碳量為0.16%時的晶粒尺寸最小，為17.2μm；隨含碳量增加，ASTM A487-4B微合金化鑄鋼組織形態越規整，分布越均勻。

圖6 不同碳含量下微合金化鑄鋼布氏硬度

（2）不同碳含量對ASTM A487-4B微合金化鑄鋼的力學性能存在影響。隨含碳量增加，試驗鋼的屈服強度先基本保持不變后增加到某一值，在含碳量為0.16%時最大，達到671MPa，變化幅度達90MPa；抗拉強度先基本保持不變，后增加到某一最大值，變化范圍為690～760MPa；斷面收縮率先降低后增加，在含碳量為0.12%時最小，達48%，變化幅度超過20%；延伸率先降低后增加，變化范圍為19%～23%；低溫沖擊功在0.12%時最低，僅為20.3J，隨后增加，在0.16%時最高，變化幅度超過50%；硬度先降低后增加，在0.12%時最低，為236HB，比0.16%時的最大值270HB要小17%。

（3）綜合所以試驗及結果，碳含量為0.16%時所獲得的組織相對更加均勻，具備較好的綜合力學性能。

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