1、奧氏體化溫度和空冷速率對CFB /M 復相鋼組織和性能的影響苑 曄1,劉東雨1,彭建超1,侯世香1,劉宗德1,徐 鴻1,安江英1,白秉哲2,徐雪霞2(1.華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室,北京 102206;2.清華大學先進金屬材料教育部重點實驗室,北京 100084摘要:通過For m aster F 熱膨脹儀和G leeb le 1500熱/力模擬試驗機分別模擬了奧氏體化溫度為910 和960 時不同直徑的無碳化物貝氏體/馬氏體(CFB /M 復相鋼圓棒在空氣中的冷卻速率,采用光學顯微鏡和掃描電鏡分析了奧氏體化溫度和冷卻速率對CFB /M 復相鋼顯微組織的影響,測定了CF

2、B /M 復相鋼的硬度和沖擊韌度值。結果表明,在空冷條件下,隨圓棒直徑增大,CFB /M 復相鋼的組織由無碳化物貝氏體+馬氏體轉變成鐵素體+無碳化物貝氏體,硬度隨之降低,但沖擊功卻顯著增加。提高奧氏體化溫度,可抑制鐵素體析出,使CFB /M 復相鋼在更大的冷速范圍內獲得強韌性好的CFB /M 復相組織。關鍵詞:無碳化物貝氏體/馬氏體(CFB /M 復相鋼;奧氏體化溫度;空冷;強韌性中圖分類號:TG142.2;TG113.25 文獻標識碼:A 文章編號:0254 6051(200712 0061 03E ffect of austenitizi ng temperature and air co

3、oli ng rate on m icrostructure andproperties of the CFB /M steelYUAN Y e 1,LIU Dong yu 1,PENG Jian chao 1,HOU S h i x iang 1,L IU Zong de 1,XU H ong 1,AN Ji a ng y i n g 1,B A I B i n g zhe 2,XU Xue x ia 2(1.Key Labo ratory of Cond ition M onitori n g and Control for Po w er Plan tE quip m ent ofM i

4、 n istry of Educati o n ,North Ch i n a E lectric Po w er Un i v ersity ,Beiji n g 102206;2.Key Labo ratory for Advanced M ateria ls ofM inistry o f Education ,Tsi n ghua Un i v ersity ,Be ijing 100084Abst ract :The process of a ir coo ling about CFB /M steel bar w ith d ifferent dia m eter after au

5、stenizi n g at 910 and 960 w as si m u lated by For m aster F ther m al d il a to m eter and G leeble 1500ther m al/m echan ica l si m u lati o n m ach i n e respec ti v e l y .The m icrostructure o f the experi m enta l steel w as observed by optical m icroscope and scann i n g electr on m icro sco

6、pe .The hardness and i m pact toughness of the exper i m enta l stee lw as tested .The resu lts sho w that i n t h e air cooling condition ,w ith the d i a m eter of the steel bar i n creasi n g ,the m icr ostruct u re changed fro m CFB+M m ixed m icrostruct u re to Ferrite+CFB m icrostr ucture .The

7、 har dness decreases but t h e i m pact toughness i n creasesw ith the d i a m eter of t h e experi m ental stee l bar increasing .The proeutecti o d ferrite is restrai n ed and the CFB /M m i x ed m icrostructure is obtained i n a w ider range of coo li n g rate w ith i n creasi n g austenizi n g t

8、e m perature .K ey w ords :carbide free bainite /m artensite stee;l austenizing te m perature ;air coo li n g ;strength and toughness 作者簡介:苑 曄(1979 ,男,黑龍江齊齊哈爾人,碩士生,主要從事高強度低碳合金鋼的強韌性改善研究。聯系人:劉東雨,教授。電話:010 * E ma i:l li udy ncepu .edu .cn 基金項目:國家973計劃(2004CB619105;華北電力大學電力科學基金收稿日期:2007 06 05含碳量為0 20%0

9、25%的M n C r 鋼和M n Si C r 鋼的 8mm 短拉伸試樣和標準夏比沖擊試樣奧氏體化后空冷可獲得貝氏體+馬氏體復相組織。低碳M n C r 鋼為典型的下貝氏體+馬氏體復相組織,低碳M n S i Cr 鋼為含有膜狀殘留奧氏體的CFB +M 組織。為此,將具有CFB +M 組織的低碳M n S i C r 鋼稱為空冷CFB /M 復相鋼。與淬火馬氏體相比,CFB +M 復相組織具有較高的回火抗力,CFB +M 復相組織將鋼的低溫回火脆性開始溫度提高至360 ,這使鋼可以在更高溫度回火,從而使鋼具有較高的延遲斷裂抗力和疲勞裂紋萌生抗力、較低疲勞裂紋擴展速率1 5。文獻68的研究表明

10、,奧氏體化溫度和奧氏體化后的冷卻速率顯著影響鋼的組織和性能。為此,作者就奧氏體化溫度和奧氏體化后的冷卻速率對空冷CFB /M 復相鋼的組織和性能的影響進行了試驗研究。1 試驗材料和方法試驗用CFB /M 復相鋼為上海寶山鋼鐵集團特殊鋼分公司采用電弧爐熔煉,并經爐外精煉。其化學成分為(質量分數,%:0 22C 、23M n 、1 76S i 、0 57Cr 、0 016P 、0 002S 。熱模擬的G leeb le 試樣和For m aster 試樣由 60mm 棒料改鍛而成。試樣預備熱處理工藝為700 高溫回火。奧氏體化溫度分別為910 和960 ,奧氏體化后按文獻9給出的不同直徑圓棒空冷時

11、的心部冷卻速度在G leeb le 1500熱/力模擬試驗61!金屬熱處理2007年第32卷第12期機和For m aster F 熱膨脹儀上進行模擬冷卻試驗。采用OLYMPUS P ME3光學顯微鏡和FE I QUANTA200F 掃描電鏡觀察顯微組織和斷口形貌。采用J CSJ300 1數字化多功能沖擊試驗機測定其沖擊韌度,HBRV 187 5型布洛維硬度計測其維氏硬度。2 試驗結果及分析2.1 冷卻速率對鋼的臨界點和顯微組織的影響根據鋼的高溫奧氏體及其轉變產物(鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體具有不同的比容,利用膨脹曲線上所顯示出的熱膨脹的變化點來確定鋼的臨界點。將鍛后直接由700 高溫回火

12、的CFB /M 復相鋼試樣以3 /m i n 的速率加熱到910 奧氏體化,保溫10m in ,然后以3 /m in 的速率冷卻以測定試驗鋼的Ac 和A r 轉變溫度。經910 奧氏體化的試樣,采用氬氣冷卻測定試驗鋼的馬氏體轉變開始溫度M s 和馬氏體轉變結束溫度M ,f 結果見表1。Ac 1沒有獲得有效值是因為試樣的原始組織為回火索氏體,故不存在加熱過程中珠光體向奧氏體的轉變,也就不存在A c 1臨界點。而在冷卻過程中由于珠光體的轉變溫度低,層片間距小而分辨不開,從而在光學顯微鏡下呈暗色塊狀。作者采用直徑為 5、 7 5、 10、 20、 30、 40、 50mm 的7種CFB /M 復相鋼

13、圓棒模擬了奧氏體化后空冷的冷卻速率,探討了冷卻速率對鋼的臨界點的表1 試驗鋼的轉變溫度( Tab le 1 T ran sfor mat i on temperatu re ofth e exper i m en tal steel ( Ac 1Ac 3Ar 1Ar 3M s M f805501750325175影響,結果見表2,其典型顯微組織見圖1。由表2和圖1可見直徑為 5 20mm 的圓棒空冷后均可獲得無碳化物貝氏體+馬氏體復相組織,而 30mm 的圓棒空冷后獲得鐵素體+無碳化物貝氏體+馬氏體組織, 40mm 以上的圓棒空冷后獲得鐵素體+無碳化物貝氏體組織。對 20mm 以下的圓棒空冷后

14、獲得的組織采用杠桿法計算了無碳化物貝氏體的量,結果見表3,不同直徑試驗鋼圓棒的維氏硬度值見表4。可見 20mm 左右的圓棒空冷后,隨圓棒直徑增加,試驗鋼的硬度下降較快。表2 空冷圓棒直徑對試驗鋼臨界點的影響T ab le 2 E ffect of th e dia m eter of th e air cooling bar oncr itical po i n ts of the exper i m en tal steel圓棒直徑/mm57.5102030 40 50Fs / 575625610B s / 375375375425425420420Bf/ 320M s / 32032532

15、5M f/175160175225 225圖1 不同直徑圓棒910 奧氏體化空冷后的顯微組織(aCFB+M ( 20mm 圓棒 (bF+CFB +M ( 30mm 圓棒 (cF+CFB ( 50mm 圓棒F i g .1 M icrostruc t ure of the experi m ental stee l a fter austenitizi ng at 910and air cooli ng(aCFB +M ( 20mm bar (b F +CFB+M ( 30mm b ar (cF+CFB( 50mm bar表3 圓棒直徑對無碳化物貝氏體量的影響T ab le 3 T he eff

16、ect of the dia m eter of the experi m en talsteel bar on th e a moun t of CFB圓棒直徑/mm 5 7.5 10 20無碳化物貝氏體量(%20253239注:910 奧氏體化,空冷2.2 奧氏體化溫度對鋼的顯微組織和性能的影響采用相同的加熱和冷卻速率以及相同的保溫時間,只將CFB /M 復相鋼的奧氏體化溫度提高至960 以探討奧氏體化溫度對鋼的顯微組織的影響,空冷后表4 不同直徑試驗鋼圓棒的維氏硬度Table 4 H ardn ess of th e experi m ental stee l bar w ithd if

17、ferent d i a m eter圓棒直徑/mm 5 7.5 10 20 30 40 50硬度(HV0.2476473470401383370362注:910 奧氏體化,空冷不同直徑圓棒的顯微組織見圖2。與圖1比較可見,奧氏體化溫度提高至960 后, 30mm 圓棒未出現先共析鐵素體,而 50mm 圓棒僅出現少量先共析鐵62!金屬熱處理2007年第32卷第12期素體。在設計CFB /M 復相鋼時,充分考慮了合金元素對B s 點的影響。利用C 、M n 和C r 將Bs 點溫度控制在400 左右,以獲得針狀貝氏體以分割細化馬氏體,利用S i 抑制滲碳體析出以獲得膜狀殘留奧氏體。先期試驗表明1

18、0,CFB /M 復相鋼在400 貝氏體等溫轉變量僅14%左右,而大量貝氏體轉變發生在400 以下溫度范圍內,因此成分設計為形成分散分布的針狀無碳化物貝氏體奠定了基礎。圖3a 為 30mm 圓棒空冷后形成的無碳化物貝氏體板條,圖3b 為 50mm 圓棒空冷后形成的無碳化物貝氏體板條和塊狀先共析鐵素體。960 奧氏體化后空冷,不同直徑圓棒的硬度和沖擊功結果見表5。 10 30mm 的圓棒空冷后組織均為CFB +M,硬度相當, 50mm 的圓棒出現了先共 圖2 960 奧氏體化的不同直徑圓棒空冷后的顯微組織(aCFB +M ( 20mm 圓棒 (b CFB +M ( 30mm 圓棒 (cF+CFB

19、( 50mm 圓棒F i g .2 M icrostruc t ure of the experi m ental stee l a fter austenitizi ng at 960 and air cooli ng(aCFB+M ( 20mm bar (bCFB+M ( 30mm bar (cF+CFB( 50mmbar 圖3 960 奧氏體化的不同直徑鋼棒的貝氏體形態F i g.3 M o rpho l ogy o f CFB i n t he bar o f different d i ame ter(a 30mm bar (b 50mm bar表5 不同直徑圓棒空冷后的硬度和沖擊功

20、Tab le 5 H ardne ss and i m pact energy of the exper i m en tstee l bar w ith differen t d ia m eter after air coo li ng圓棒直徑/mm 10203050硬度(HV1484478483419A KV /J 60.661.966.571.9注:960 奧氏體化析鐵素體,從而使硬度下降。但與910 奧氏體化相比,其具有較高的硬度。鋼的沖擊功不因出現鐵素體而降低,少量鐵素體的出現反而改善鋼的沖擊韌性。3 結論(1隨著空冷速率的降低,CFB /M 復相鋼的顯微組織發生CFB+M #CFB +M +F #CFB +F 的演變。(2提高奧氏體化溫度使CFB /M 復相鋼獲得CFB+M 組織的冷卻范圍變寬,少量鐵素體析出降低鋼的硬度,提高鋼的韌性。參考文獻:1 劉東雨,方鴻生,