38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼的TTT曲線的測定與分析

陳浩東,謝 丁,陳元芳

(1.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 重慶 400054;2.重慶市模具技術(shù)重點實驗室, 重慶 400054)

0 引言

熱力學(xué)上達(dá)到平衡狀態(tài)可通過鐵碳相圖反映出來[1]。但是鐵碳相圖所描述的僅僅是鋼在熱平衡狀態(tài)下鐵碳含量與溫度區(qū)間的關(guān)系,缺少其他具體的如時間等影響因素。把時間因素引入到對鋼組織轉(zhuǎn)變的影響,鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線由此開始并逐步發(fā)展成熟[2]。等溫轉(zhuǎn)變曲線(time temperature transformation,簡稱TTT曲線),因其曲線形狀也可將TTT曲線稱為S曲線或C曲線[3]。TTT曲線是描述鋼奧氏體化后在不同等溫溫度下的轉(zhuǎn)變過程,即TTT曲線是描繪鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始的時間和轉(zhuǎn)變結(jié)束的時間[4-5]。TTT曲線的作用一般是用在鋼的退火工藝的確定環(huán)節(jié),而且TTT曲線也廣泛運用在CAE計算機模擬熱處理相變中[6-7]。TTT曲線一般采用等溫轉(zhuǎn)變的測定方法,等溫轉(zhuǎn)變測定常用的方法有金相法、硬度法、磁性法、電阻法和膨脹法[8]。

金相法是運用金相顯微鏡拍下多組均勻時間段內(nèi)各個材料變形后的金相照片,再通過金相觀察統(tǒng)計,從而確定相變組織[9]。金相法一般需用多組樣品數(shù)據(jù),通常需要200個或200個以上的試驗樣品。樣品使用車床將樣品制成厚度2 mm左右的餅形薄片,直徑為(12±2) mm,然后在餅形薄片上的圓面鉆小孔,以便懸掛試樣。雖然金相法原理簡單明了,試驗所需設(shè)備簡單,但其需要大量的試驗樣品,工作量較大,因此帶來的試驗操作更加繁瑣復(fù)雜。

硬度法原理與金相法相似,兩者差別在于:金相法是通過觀察金相組織,硬度法是測量組織硬度值。材料等溫轉(zhuǎn)變的不同組織間硬度有較大的差異,因此測量材料等溫轉(zhuǎn)變后組織的硬度也可獲得TTT曲線。硬度法不僅工作量大,而且其對少量組織轉(zhuǎn)變敏感度低。當(dāng)各組織混合起來時,硬度值主要受到含量較高的組織影響,含量低的組織硬度值易被大占比組織所平均,因此對含量占比小的組織不敏感[10]。通常硬度法會與金相法一起使用,以達(dá)到互補作用。

磁性法的原理是:材料過冷奧氏體發(fā)生等溫轉(zhuǎn)變時磁性也會伴隨發(fā)生轉(zhuǎn)變,通過測量發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變時間以確定轉(zhuǎn)變的開始和結(jié)束時間,進(jìn)而測繪出TTT曲線。磁性法一般采用熱磁儀進(jìn)行測量,所需試樣數(shù)量小于硬度法和金相法,但是磁性法檢測不出鐵素體和珠光體,導(dǎo)致TTT曲線不完整。

電阻法原理與磁性法類似,在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織時,材料的電阻值相應(yīng)地發(fā)生變化,通過測量電阻的變化來確定轉(zhuǎn)變開始和結(jié)束的時間。但電阻法不能檢測出馬氏體鐵素體的轉(zhuǎn)變,該方法在以往試驗中運用得較少。

膨脹法的原理是:金屬材料隨著溫度的變化都會發(fā)生體積的變化也就是熱脹冷縮現(xiàn)象,通常材料體積變化與溫度變化呈線性變化,材料在熱變形時原有組織會發(fā)生相變,而相變產(chǎn)生的新組織和原組織膨脹系數(shù)存在差異,導(dǎo)致材料隨著溫度變化所產(chǎn)生的體積變化不一定呈線性關(guān)系。熱膨脹法就是檢測材料相變發(fā)生后體積膨脹曲線的變化。將試樣放入熱浴爐中加熱到材料奧氏體化溫度以上,然后保溫一段時間使材料能夠完全奧氏體化。待試樣完全奧氏體化后,取出試樣后將其快速地移入到另一設(shè)定了等溫溫度的熱浴爐中,并讓試樣快速地冷卻到設(shè)定的溫度,在等溫保溫過程時記錄材料的等溫膨脹曲線以便計算繪制出TTT曲線[11]。膨脹法本質(zhì)上是利用材料相變時必然伴隨比容變化,通過測定比容的變化來測定膨脹曲線[12]。

綜上所述本文采用Gleeble-1 500D熱模擬試驗機運用膨脹法獲得38MnVTi的不同等溫溫度的膨脹曲線。結(jié)合計算和運用Origin軟件繪制了可用于計算機模擬的38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT曲線)。

1 測定TTT圖線

1.1 試驗材料

試驗對象是牌號為38MnVTi的棒材,該牌號的材料是某鋼廠所生產(chǎn)的熱軋態(tài)非調(diào)質(zhì)鋼,把38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼棒材車削加工成直徑為6 mm,長度為70 mm的圓柱形試樣,這樣的形狀能夠保證試驗數(shù)據(jù)的精度更高。在試樣中段進(jìn)行劃線標(biāo)記,表1為非調(diào)質(zhì)鋼38MnVTi的材料組成元素及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)表。

表1 38MnVTi鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 試驗方法

試驗所使用的Gleeble-1 500D熱模擬試驗機是由美國DSI(dynamic systems inc.)研制的一種熱成形模擬的裝置。其試驗原理是:將試樣放入到熱浴爐中加熱到試樣奧氏體化溫度以上,然后保溫一段時間使材料能夠完全奧氏體化。待試樣完全奧氏體化后,取出試樣后將其快速地移入到另一設(shè)定了等溫溫度的熱浴爐中,并讓試樣快速冷卻到設(shè)定的溫度,通過試驗機記錄試驗等溫溫度下保溫過程中其等溫膨脹曲線。

38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼的過冷奧氏體等溫冷卻試驗方案及不同等溫溫度數(shù)值如圖1所示。通過Gleeble-1 500D熱模擬試驗機將38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼的試樣以10 ℃/s加熱到900 ℃,待溫度達(dá)到900 ℃后需保溫10 min,這樣38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼試樣能夠得到充分的奧氏體化。之后以每秒50 ℃的冷卻速度梯度冷卻試樣到預(yù)先設(shè)置的各個等溫溫度,保溫至材料的體積膨脹曲線趨于平穩(wěn),待曲線平穩(wěn)后將試樣空冷到室溫。通過Gleeble-1 500D熱模擬試驗機膨脹儀獲得38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼的膨脹曲線后,測定38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT曲線)的方法是:采用切線法分析材料的體積膨脹曲線,分別得出不同組織開始相變時間以及相變終止的時間。最后將各個等溫溫度得到的試驗數(shù)據(jù)匯總于表格中,使用Origin軟件將表格數(shù)據(jù)、材料的臨界點數(shù)據(jù)一起繪制在溫度-時間半對數(shù)坐標(biāo)圖中。

圖1 38MnVTi鋼過冷奧氏體等溫冷卻試驗方案

38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼析出組織臨界點:材料在奧氏體化后不同組織的析出溫度和終止溫度。臨界點溫度主要有滲碳體析出溫度Ac1、鐵素體的析出溫度Ac3、馬氏體析出溫度Ms和馬氏體終止轉(zhuǎn)變溫度Mf。得到滲碳體的析出溫度Ac1以及鐵素體的析出溫度Ac3的方式是:運用Gleeble-1 500D熱模擬試驗機,以每秒10 ℃的加熱速度將試樣加熱到能使材料奧氏體化溫度(900 ℃),溫度達(dá)到900 ℃后為使材料能充分奧氏體化,對其保溫10 min。保溫時間結(jié)束后再以每秒0.05 ℃的冷卻速度緩慢冷卻,同時記錄其體積膨脹曲線,最后使用切線法,測出滲碳體析出溫度Ac1以及鐵素體析出溫度Ac3,測得的體積膨脹曲線如圖2所示。此外馬氏體析出和終止溫度Ms、Mf的測定方法與上述方法類似,同樣是將38MnVTi鋼以每秒10 ℃的加熱速度加熱到900 ℃,試驗溫度到達(dá)900 ℃后保溫10 min,不同的是保溫結(jié)束后試樣以每秒50 ℃的冷卻速度快速冷卻并記錄其體積膨脹曲線,同樣對膨脹曲線采用切線法獲得馬氏體析出和終止溫度,得到的非調(diào)質(zhì)鋼38MnVTi馬氏體析出和終止溫度Ms、Mf的體積膨脹曲線如圖3所示。

圖2 非調(diào)質(zhì)鋼38MnVTi的臨界點Ac3和Ac1曲線

圖3 非調(diào)質(zhì)鋼38MnVTi的臨界點Ms和Mf曲線

將獲得的非調(diào)質(zhì)鋼38MnVTi各臨界點溫度匯總,其結(jié)果如表2所示。

表2 非調(diào)質(zhì)鋼38MnVTi的臨界點

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同等溫溫度的膨脹曲線

等溫轉(zhuǎn)變曲線需要多組不同等溫溫度的膨脹曲線數(shù)據(jù)。等溫轉(zhuǎn)變的膨脹曲線一般包括等溫開始時膨脹量穩(wěn)定的相變孕育期曲線,冷卻過程中的膨脹量的收縮曲線,以及相變開始后的膨脹量的增大曲線部分。設(shè)置等溫溫度:750～480 ℃內(nèi)每30 ℃溫度跨度共9個等溫溫度做一次試驗,此外430、360 ℃再做一次試驗。待膨脹曲線趨于穩(wěn)定后將試樣進(jìn)行空冷冷卻至室溫。試驗不同等溫溫度對應(yīng)的膨脹曲線如圖4所示。

圖4 非調(diào)質(zhì)鋼38MnVTi不同等溫溫度的膨脹曲線

從圖4(a)等溫溫度為750 ℃膨脹曲線可以觀察到,當(dāng)38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼在轉(zhuǎn)變開始后的20 s時孕育期結(jié)束(20 s之前曲線近似直線),20 s后體積膨脹曲線出現(xiàn)上升(先共析鐵素體相變開始),膨脹曲線在20 s時出現(xiàn)上升是因為析出的鐵素體的膨脹系數(shù)比奧氏體的膨脹系數(shù)要大,產(chǎn)生的鐵素體同等質(zhì)量下體積比奧氏體大。此后體積膨脹曲線在轉(zhuǎn)變開始33 s時再次出現(xiàn)了上升現(xiàn)象,這是珠光體轉(zhuǎn)變的開始時間,曲線上升的原因是珠光體熱膨脹系數(shù)大于鐵素體的熱膨脹系數(shù),同理材料再次發(fā)生明顯膨脹。當(dāng)?shù)葴剞D(zhuǎn)變進(jìn)行到1 709 s之后體積膨脹曲線趨于平穩(wěn),由此判斷等溫轉(zhuǎn)變結(jié)束于1 709 s。同樣地分析等溫溫度為720 ℃時的膨脹曲線,由圖4(b)可以觀測到,孕育期是膨脹量穩(wěn)定的前14 s,14 s后體積膨脹曲線首次出現(xiàn)上升體積變化率減小,這是因為先共析鐵素體在14 s時開始析出。體積膨脹在29 s后又再次出現(xiàn)了上升現(xiàn)象,同理是由珠光體轉(zhuǎn)變開始所造成的。此后體積膨脹曲線趨于平穩(wěn)在1 608 s后,可判斷等溫轉(zhuǎn)變結(jié)束。除750 ℃及720 ℃以外,之后的等溫轉(zhuǎn)變沒有再出現(xiàn)先共析鐵素體,取而代之珠光體轉(zhuǎn)變或貝氏體轉(zhuǎn)變。38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼在600～690 ℃溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變,在430～570 ℃溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。

2.2 貝氏體轉(zhuǎn)變量的測定

鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變具有自我限制的性質(zhì)。在貝氏體轉(zhuǎn)變過程中,貝氏體轉(zhuǎn)變不會一直進(jìn)行下去,而是達(dá)到某一特定量后停止轉(zhuǎn)變,即使材料的溫度還處于貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間內(nèi)。這種貝氏體轉(zhuǎn)變停止的現(xiàn)象稱為貝氏體轉(zhuǎn)變的自制性。等溫溫度下的最大貝氏體轉(zhuǎn)變量可以通過膨脹系數(shù)法獲得。具體是:通過Gleeble-1 500D熱模擬試驗機將試樣加熱到材料奧氏體化溫度900 ℃,為使材料能完全奧氏體化,加熱到900 ℃后需要保溫一段時間,保溫時間在6～10 min,保溫結(jié)束后以每秒50 ℃的冷卻速度快速地將試樣冷卻至室溫。與此同時記錄其體積膨脹曲線,采集到的膨脹曲線數(shù)據(jù)繪制后如圖5所示。通過切線法測量馬氏體膨脹曲線對應(yīng)的馬氏體轉(zhuǎn)變處曲線的斜率,從而測出材料馬氏體的膨脹系數(shù),測量奧氏體轉(zhuǎn)變后的曲線斜率得到奧氏體的膨脹系數(shù),分別得到αγ=2.364 25×10-5,αΝ=1.282 37×10-5。再通過如圖6所示的雙膨脹曲線,用同樣的方法可以測得貝氏體和馬氏體相變結(jié)束時的體積膨脹系數(shù)以及貝氏體和馬氏體在材料中含量所占的百分比[13-14]。使用切線法測得參數(shù)分別為貝氏體與奧氏體的混合組織膨脹系數(shù)αΒ+γ=1.064 18×10-5,貝氏體與馬氏體的混合膨脹系數(shù)αΒ+Ν=1.412 24×10-5,貝氏體體積分?jǐn)?shù)χB=0.66,馬氏體體積分?jǐn)?shù)χM=0.34。通過計算得到貝氏體的膨脹系數(shù)αΒ:貝氏體和馬氏體的混合組織的膨脹系數(shù)αΒ+Ν=αΒχB+αΝχM,可求得貝氏體的膨脹系數(shù)αΒ=1.479 14×10-5。

圖5 奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的線膨脹曲線

圖6 奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w和馬氏體的膨脹曲線

通過上述方法獲得貝氏體線膨脹系數(shù)αΒ后,再依據(jù)式(1)可以求得貝氏體的最大轉(zhuǎn)變量。依據(jù)公式可分別求得貝氏體在540、510、480、430 ℃等溫溫度下的最大轉(zhuǎn)變量。

(1)

當(dāng)38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼小試樣分別冷卻到等溫溫度540、510、480、430 ℃時,由該等溫溫度所得到的溫度-膨脹量曲線如圖7所示。通過式(1)計算出540、510、480、430 ℃等溫溫度下對應(yīng)的貝氏體最大轉(zhuǎn)變量。各個溫度對應(yīng)的貝氏體的最大轉(zhuǎn)變量如表3所示。

表3 貝氏體的最大轉(zhuǎn)變量

圖7 等溫溫度540、510、480、430 ℃的膨脹曲線

3 分析與討論

等溫試驗獲得的38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼各個等溫溫度下的相變孕育期、組織轉(zhuǎn)變開始時間、轉(zhuǎn)變停止時間見表4。

表4 非調(diào)質(zhì)鋼38MnVTi等溫轉(zhuǎn)變時間

將表4中的數(shù)據(jù)用Origin軟件繪制在溫度-時間對數(shù)的坐標(biāo)圖上,得到如圖8所示的38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼的TTT曲線圖。圖8中的2個黑圓框表示先共析鐵素體開始轉(zhuǎn)變點,方框表示等溫相變開始時間的轉(zhuǎn)變點,三角表示相變結(jié)束時間的轉(zhuǎn)變點,再將各個臨界點Ac1、Ac3、Ms、Mf以虛線標(biāo)記于圖中。之后用平滑的曲線分別將方框和三角散點連接起來得到等溫轉(zhuǎn)變曲線,即TTT曲線。

圖8 非調(diào)質(zhì)鋼38MnVTi的TTT曲線

從TTT曲線圖中可以了解到,38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼的相變主要發(fā)生在360～750 ℃,700～750 ℃存在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體區(qū);600～700 ℃存在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w區(qū);360～600 ℃存在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w區(qū)[15]。TTT曲線整體上呈雙“C”型,2個雙C曲線將材料的轉(zhuǎn)變物以等溫溫度和等溫時間具體標(biāo)明出來。體積溫度變化的孕育期在各個溫度區(qū)間內(nèi)都存在,TTT曲線在360～750 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變結(jié)束時間均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,孕育期也不例外。

觀察38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼TTT曲線可知,當(dāng)?shù)葴剞D(zhuǎn)變溫度為510 ℃時相變最先開始,孕育期最短,表示材料完全奧氏體化后在此等溫溫度下最易發(fā)生相變,因此該等溫溫度被形象地稱為TTT曲線的“鼻尖”溫度。當(dāng)?shù)葴販囟却笥?10 ℃,由于材料原子在更高的溫度下能量越大,原子以振動加快的形式來儲存這部分增加的熱能,隨著溫度的增大材料的擴散系數(shù)也隨之增大,相變驅(qū)動力減小,自由能差增大,而材料組織在轉(zhuǎn)變過程中的轉(zhuǎn)變速度主要受到自由能差的影響,所以溫度達(dá)到510 ℃以上后,溫度越高相變開始前的孕育期越長。縮短孕育期還可以通過增大材料過冷度的方式。當(dāng)?shù)葴販囟仍?60 ℃以上、510 ℃以下時,隨著溫度的降低材料過冷度增大,材料原子振動頻率和幅度隨著溫度的降低而減小,使得原子活性降低,材料在轉(zhuǎn)變過程中擴散能力下降也就是材料擴散系數(shù)減小,相變的驅(qū)動力增大,形核率增加。因原子擴散系數(shù)隨著溫度的降低而慢慢降低,使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的速率變緩,相應(yīng)的孕育期所需時間隨之增加[16]。

4 結(jié)論

1) 測定出38MnVTi非調(diào)質(zhì)鋼鐵素體析出溫度為840 ℃、滲碳體析出溫度為750 ℃、馬氏體析出溫度為360 ℃、馬氏體轉(zhuǎn)變終止溫度為212 ℃。

2) 通過膨脹法獲得了非調(diào)質(zhì)鋼38MnVTi在不同等溫溫度下等溫轉(zhuǎn)變的膨脹曲線。計算出在540、510、480、430 ℃等溫冷卻條件下貝氏體的最大轉(zhuǎn)變量分別為16.9%、26.8%、38.5%、55.3%。

3) 運用Origin軟件,擬合得到了非調(diào)質(zhì)鋼38MnVTi等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線(TTT曲線)。