Al元素對(duì)高碳珠光體鋼連續(xù)緩慢冷卻相變行為的影響

涂 煜，吳開明

(1. 武漢科技大學(xué)高性能鋼鐵材料及其應(yīng)用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢，430081；2. 武漢科技大學(xué)國際鋼鐵研究院，湖北 武漢，430081 )

冷拔珠光體鋼絲由于兼具高強(qiáng)度和一定的韌性，被廣泛應(yīng)用于橋梁纜索、輪胎簾線、鋼絲繩及彈簧等工程結(jié)構(gòu)用材料的制造中。近年來，隨著新建橋梁跨距的不斷增加，如何在進(jìn)一步提高鋼絲強(qiáng)度的同時(shí)保證其良好的塑韌性，成為國內(nèi)外研究者亟需解決的問題[1]。對(duì)于橋梁纜索用鍍鋅鋼絲而言，其應(yīng)變量相對(duì)較小，加工硬化程度不高，鍍鋅鋼絲的強(qiáng)化主要依靠增加盤條的抗拉強(qiáng)度，從微觀組織方面考慮，可以通過細(xì)化珠光體片層間距、強(qiáng)化鐵素體(固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化)及增加滲碳體比例等方式來實(shí)現(xiàn)[2]。

Al作為一種鐵素體穩(wěn)定化元素，對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變有促進(jìn)作用，即能有效擴(kuò)大鐵素體相區(qū)和縮小奧氏體相區(qū)[3]。盛振棟等[4]通過研究Al元素對(duì)熱擠壓模具鋼SDAH13連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的影響發(fā)現(xiàn)，Al元素的加入提高了SDAH13鋼的相變溫度點(diǎn)Ac1、Ac3、Ms，擴(kuò)大了其鐵素體+奧氏體兩相區(qū)，且相比于不含Al的SDAH13鋼，添加0.77%和0.43%Al后試驗(yàn)鋼的珠光體臨界轉(zhuǎn)變冷卻速度明顯提高。另外，對(duì)于添加微量Al元素處理的中碳鋼而言，若從900 ℃的奧氏體化溫度冷卻至珠光體轉(zhuǎn)變溫度范圍，需要采用70～140 ℃/s的超快冷卻速度才可能得到全珠光體組織，而這在實(shí)際生產(chǎn)中很難實(shí)現(xiàn)[5]。本課題組設(shè)計(jì)了兩組碳含量為0.78%的高碳鋼，對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，添加Al、Co的試驗(yàn)鋼在低于0.1 ℃/s的冷卻速度下得到了全珠光體組織，而不含Al、Co的鋼中，要在低于0.05 ℃/s的冷卻速度下才能得到全珠光體組織，表明Al元素?cái)U(kuò)大了該合金體系的珠光體冷卻轉(zhuǎn)變區(qū)間[6]。

基于此，本研究設(shè)計(jì)了不含Al和含1.5%Al的兩組橋索用超高強(qiáng)度珠光體鋼，重點(diǎn)分析了Al元素對(duì)試驗(yàn)鋼緩慢冷卻條件下微觀組織、硬度及珠光體轉(zhuǎn)變行為的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

本研究以某橋梁纜索用珠光體鋼的成分為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了不含Al和含1.5%Al的兩組試驗(yàn)鋼，其化學(xué)成分如表1所示。鋼中加入一定濃度的Si是為了抑制奧氏體中滲碳體的析出和沉淀，而加入Mn、Cr、Nb等元素則是為了控制奧氏體晶粒尺寸、改善鋼的淬透性及回火脆性。

表l 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分(wB/%)

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

鍛后空冷處理后，試驗(yàn)鋼的微觀組織及精細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1～圖3所示。從圖1所示的OM照片可以看出，兩種鋼的室溫組織均主要由珠光體和馬氏體構(gòu)成，圖中黑色團(tuán)狀和片層狀組織為珠光體，灰白色塊狀組織為馬氏體，且相較于Al-free鋼，1.5Al鋼樣鍛后空冷得到的組織中珠光體團(tuán)更多，而馬氏體相對(duì)較少。

(a)Al-free鋼 (b)1.5Al鋼

圖1 鋼樣的OM照片

Fig.1 OM images of steel samples

(a)Al-free鋼 (b)1.5Al鋼

圖2 鋼樣的SEM照片

Fig.2 SEM images of steel samples

(a) Al-free鋼，低倍 (b) Al-free鋼，高倍

(c) 1.5Al鋼，低倍 (d) 1.5Al鋼，高倍

(e) 1.5Al鋼，碳化物分布 (f) 1.5Al鋼，電子衍射花樣標(biāo)定

圖3 鋼樣的TEM照片及電子衍射花樣

Fig.3 TEM images and diffraction pattern of steel samples

從圖2所示的SEM照片進(jìn)一步可以看出，兩者的室溫組織均由片層狀珠光體和少量塊狀馬氏體組成，且1.5Al鋼樣中珠光體組織的片層間距相較于Al-free鋼更為細(xì)小。結(jié)合圖3所示的TEM照片來看，試驗(yàn)鋼中珠光體組織并不是完全規(guī)則的片層狀，還有部分呈團(tuán)簇狀，并且片層珠光體之間的取向也不相同。從圖3(b)和圖3(d)所示的高倍TEM照片中觀察到，試驗(yàn)鋼珠光體組織由一層滲碳體(黑色)和一層鐵素體(白色)構(gòu)成，圖3(e)和圖3(f)中的碳化物暗場(chǎng)像及電子衍射花樣標(biāo)定結(jié)果也進(jìn)一步證明，經(jīng)過鍛后空冷處理后，1.5Al鋼樣的室溫組織主要為滲碳體和鐵素體組成的片層狀珠光體。

2.2 珠光體片層間距和維氏硬度

鍛后空冷處理后，鋼樣的珠光體片層間距和維氏硬度測(cè)試結(jié)果列于表2中。由表2可見，與Al-free鋼樣相比，添加1.5%Al后試驗(yàn)鋼的珠光體片層間距減小，且維氏硬度HV1降低了約56，這與顯微組織觀察結(jié)果相符，主要是由于添加1.5%Al的試驗(yàn)鋼在冷卻過程中產(chǎn)生了更多的珠光體組織，而珠光體的硬度比馬氏體要低得多，故1.5Al鋼樣的硬度相對(duì)較低。

表2 鋼樣的珠光體片層間距和硬度

Table 2 Pearlite lamellar spacing and hardness of steel samples

鋼樣珠光體片層間距/nm硬度HV1Al-free鋼150±15435±191.5Al鋼130±10379±15

3 分析與討論

3.1 Al元素對(duì)試驗(yàn)鋼等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的影響

圖4為MUCG83軟件計(jì)算所得試驗(yàn)鋼的等溫轉(zhuǎn)變(TTT)曲線和自由能變化曲線。由圖4(a)所示的TTT曲線可見，Al元素的添加可以提高試驗(yàn)鋼的珠光體轉(zhuǎn)變溫度，使C曲線上移；同時(shí)也能縮短珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)間，使C曲線左移。珠光體轉(zhuǎn)變溫度的升高，則加速了碳在奧氏體中的擴(kuò)散，進(jìn)而提高了珠光體轉(zhuǎn)變速度，同時(shí)也提高了共析轉(zhuǎn)變溫度及增加了過冷度。

由圖4(b)所示的自由能變化曲線可見，添加Al元素后，試驗(yàn)鋼由奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的自由能增加。通常而言，珠光體轉(zhuǎn)變可視為局部平衡相變過程，相變驅(qū)動(dòng)力來源于系統(tǒng)狀態(tài)內(nèi)準(zhǔn)平衡態(tài)向正平衡態(tài)的轉(zhuǎn)變趨勢(shì),兩平衡態(tài)間的轉(zhuǎn)變可能為滲碳體的析出提供驅(qū)動(dòng)力[8]。Hultgren[9]利用外推法研究表明，通過延伸α+γ/γ相或γ+θ/γ相的局部區(qū)域，在轉(zhuǎn)變溫度低于平衡共析溫度下，奧氏體也有轉(zhuǎn)變?yōu)槿楣怏w的可能，但為了避免形成先共析鐵素體，則需要非常快的冷卻速度。而Al的添加增加了熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，大幅提升了新相形核速率，能夠有效抑制準(zhǔn)平衡態(tài)到正平衡態(tài)轉(zhuǎn)變過程中多邊形鐵素體的形成[8,10]，即使在較慢的冷卻速度下，也可以形成較細(xì)的滲碳體片層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了珠光體轉(zhuǎn)變。

(a)TTT曲線

(b)自由能變化曲線

Fig.4 TTT transformation and free energy change curves of tested steels

3.2 Al元素對(duì)試驗(yàn)鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的影響

利用J-MatPro軟件計(jì)算得到試驗(yàn)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線如圖5所示，“Pearlite(0.1%)”表示珠光體轉(zhuǎn)變開始，“Pearlite(99.9%)”表示珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束，從圖中可以得到連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變后獲得不同組織的冷卻速度范圍。由圖5可知，若在1 ℃/s的冷卻速度下，1.5Al鋼樣的珠光體開始轉(zhuǎn)變和結(jié)束轉(zhuǎn)變溫度分別為752、678 ℃，轉(zhuǎn)變持續(xù)時(shí)間為74 s，而Al-free鋼的珠光體開始轉(zhuǎn)變和結(jié)束轉(zhuǎn)變溫度為704、596 ℃，轉(zhuǎn)變持續(xù)時(shí)間為108 s。對(duì)比可知，添加1.5%Al后，試驗(yàn)鋼的珠光體轉(zhuǎn)變溫度升高，轉(zhuǎn)變時(shí)間則變短，這與圖4(a)所示的結(jié)果一致。從圖5還可以看出，加入1.5%Al后，珠光體轉(zhuǎn)變的連續(xù)冷卻速度范圍擴(kuò)大，珠光體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度增大。

本研究用鋼中碳含量超過了0.9%，即為過共析鋼，而對(duì)于過共析鋼，獲得珠光體組織需要較慢的冷卻速度。加入1.5%的Al元素后，試驗(yàn)鋼更接近于共析點(diǎn)，故1.5Al鋼可以在較快的冷卻速度下獲得珠光體組織。此外，Al元素還能提高試驗(yàn)鋼的共析點(diǎn)溫度，即提高珠光體轉(zhuǎn)變溫度，碳在奧氏體中的活度得到提高，有利于過冷奧氏體中合金碳化物的形成，兩者的共同作用促進(jìn)了珠光體的形核及長大。

圖5 試驗(yàn)鋼的CCT曲線

3.3 Al元素對(duì)試驗(yàn)鋼珠光體片層間距的影響

Takahashi[11]提出了相轉(zhuǎn)變后珠光體片層間距S0與過冷度ΔT的關(guān)系模型，即：

(1)

式中：TE為共析轉(zhuǎn)變溫度;a、b為常數(shù)。

從上述式中可以看出，過冷度越大，珠光體片層間距越小。由圖4可知，本試驗(yàn)用鋼中Al元素的添加提高了體系的過冷度，且結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，1.5Al鋼中珠光體片層間距相比于Al-free鋼更細(xì)小，這與文獻(xiàn)[11]提出的模型相符合。另一方面，Capdevila等[12]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評(píng)估了各合金元素對(duì)珠光體片層間距的影響，結(jié)果表明，Mn、Ni、Cr、Mo等奧氏體穩(wěn)定元素會(huì)增加合金的珠光體片層間距，但Al、Co等鐵素體穩(wěn)定元素則會(huì)減少合金的珠光體片層間距。

4 結(jié)論

(1)鍛后空冷處理后，Al-free和含1.5%Al鋼的室溫組織均為片層狀的珠光體和少量塊狀馬氏體，且添加1.5%Al的高碳合金鋼中，珠光體片層更精細(xì)，與Al-free鋼相比細(xì)化了約20 nm。

(2)添加一定量Al元素后，試驗(yàn)鋼的維氏硬度HV1降低了約56，這是由于Al元素的加入提高了試驗(yàn)鋼的共析轉(zhuǎn)變溫度，加速了碳在奧氏體中的擴(kuò)散，珠光體相變熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力增加，從而促進(jìn)了珠光體轉(zhuǎn)變，這使得含1.5%Al鋼樣中珠光體組織的含量相對(duì)較高。

(3)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明，Al合金化可以提高試驗(yàn)鋼的珠光體轉(zhuǎn)變溫度，使C曲線上移，同時(shí)也能縮短珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)間，使C曲線左移；珠光體轉(zhuǎn)變溫度越高，碳在奧氏體中的活度越大，這有利于過冷奧氏體中合金碳化物的形成。兩者共同作用促進(jìn)了試驗(yàn)鋼中珠光體的形核與長大。