低合金高强钢连续冷却微观组织转变研究

梁国俐，苑少强，郝 斌

（唐山学院a.机电工程系；b.环境与化学工程系，河北唐山063000）

低合金高强钢连续冷却微观组织转变研究

梁国俐a，苑少强a，郝 斌b

（唐山学院a.机电工程系；b.环境与化学工程系，河北唐山063000）

通过热膨胀法测定了低合金高强钢CCT曲线并分析了其微观组织的变化，结果表明，实验钢在3～50℃/s冷却范围内，均可得到贝氏体组织，当冷却速度为30℃/s以上时还会出现部分马氏体组织。随着冷却速度的提高，贝氏体开始相变温度和转变结束温度相应降低，显微组织逐渐由粒状贝氏体向板条贝氏体转变，且相变组织越加细小。

低合金高强钢；热膨胀法；相变组织

0 引言

过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）能系统地表示热变形工艺参数、轧后冷却速度对相变开始温度、相变进行速度和相变产物组织的影响，它是衡量热轧变形工艺是否恰当的重要依据，因此在实际的工业生产过程中，CCT曲线可以指导工艺设计和优化TMCP工艺，有重要的参考作用［1－2］。

通过热膨胀法测定CCT曲线，其原理是根据钢的各相有不同的热膨胀系数与比容。比容按由大到小的顺序排列为马氏体＞贝氏体＞珠光体＞铁素体＞奥氏体，所以在钢的组织中，凡发生奥氏体分解、铁素体析出的过程都将伴随着体积膨胀［3－4］。

从图1低合金高强钢加热和冷却时膨胀曲线中可看出：加热过程中，当发生铁素体和珠光体向奥氏体转变时，由于奥氏体的比容比铁素体和珠光体都小，所以开始时膨胀的曲线在长度上发生收缩，待全部转变为奥氏体后，膨胀曲线将继续膨胀。这样在膨胀曲线上就出现了两个拐点，从这两个拐点可以确定出Ac1和Ac3。冷却过程中，当从奥氏体中析出铁素体和奥氏体转变为珠光体时，开始时收缩的曲线会发生膨胀，当奥氏体全部转变为铁素体和珠光体后，膨胀曲线又继续收缩，从而也出现两个拐点，并可根据拐点确定Ar3和Ar1。同理，当冷却速度足够大，发生奥氏体向马氏体转变时，同样会引起膨胀曲线的变化而出现拐点，由此确定Ms和Mf。

图1 低合金高强钢的膨胀曲线

1 试验材料及方法

试验钢CCT曲线和相变临界温度的测定在BHR DIL805A型热膨胀仪上进行，试样从钢坯上取样，尺寸为/4 ×10mm。试样以10℃/s的速度加热到1 000℃，保温时间为10min，然后分别以0.5℃/s，1℃/s，3℃/s，5℃/s，10℃/s，15℃/s，20℃/s，30℃/s，40℃/s，50℃/s的冷速连续冷却至室温，每个试样只用一次。通过测定连续冷却过程中膨胀量与温度的变化曲线，采用切线法测量试样钢的相变点并整理热膨胀数据。试样经镶嵌、粗磨抛光后用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，并采用光学金相和电子显微分析方法分析相变组织特征。

2 结果与分析

2.1 连续冷却金相组织

图2给出了试验钢在不同冷速连续冷却的金相组织。当冷速为0.5～1℃/s时，组织主要为多边形铁素体（PF）和准多边形铁素体（QF）；在3～10℃/s范围内，相变组织为准多边形铁素体和粒状贝氏体（GB）混合组织，且随冷速的增高，GB组织逐渐增高，QF组织逐渐减少；冷速高于20℃/s后，板条贝氏体（LB）组织开始出现，QF组织消失。当冷速达到20～50℃/s时相变组织由GB和LB共同组成，且随冷却速度的提高，GB组织逐渐减少，LB组织含量逐渐增高，相变组织也更加细小；当冷速达到50℃/s时，相变组织主要由LB组成，还有少量马氏体存在。

2.2 连续冷却转变曲线

在恒定的连续冷却速率下测出连续冷却膨胀曲线，从曲线上得到转变开始点和转变终了点的温度。再结合上述的金相组织照片绘制CCT曲线图，如图3所示。

从图3中可以看到，试验钢相变点虽有差异，但相变组织类型基本相同。分析发现试验钢以不同的冷却速度冷却时，存在以下两个相变区：奥氏体向铁素体的转变和奥氏体向贝氏体的转变。在0.5～1℃/s冷却范围内，可得到多边形铁素体和准多边形铁素体，铁素体的相变温度在420～640℃之间；在3～50℃/s冷却范围内，可得到贝氏体，贝氏体相变温度在390～620℃之间；当冷却速度为30℃/s以上时还会出现部分马氏体组织，贝氏体开始相变温度为590℃左右，转变结束温度为400℃左右。

图2 试验钢连续冷却金相组织

图3 试验钢连续冷却转变曲线

由图3可知，在转变过程中没有出现珠光体区，通过控制冷却速度能获得铁素体－贝氏体双相组织或者是贝氏体组织，这是由于中强碳化物及强碳化物元素铬、钼、钒等的加入。铬能显著提高过冷奥氏体的稳定性，使转变孕育期延长，同时使珠光体转变向高温方向移动，贝氏体转变向低温方向移动，从而使珠光体区和贝氏体区分离。钼对珠光体转变亦有强烈的抑制作用，但对贝氏体转变影响并不显著，因而在相当大的冷却速度范围内可获得全部是贝氏体的组织。另外，钼还能抑制先共析铁素体的析出，使CCT曲线右移及珠光体区和贝氏体区的分离，出现过冷奥氏体的亚稳定区，增加了钢的淬透性。

另外，由于静态连续冷却过程中未发生变形，若考虑变形因素的影响，则奥氏体变形会增加奥氏体内的缺陷密度，而缺陷一方面储存了大量的畸变能，另一方面有利于铁原子与碳原子的扩散，因此，变形奥氏体中铁素体和珠光体的形核速率增加，从而缩短了铁素体相变和珠光体相变的孕育期。而在未再结晶区进行多道次变形，晶粒不仅被拉长，晶内还可能出现较多的变形带，存在大量的析出位置，使奥氏体向铁素体转变动力学增加，提高了相变温度。同时，由于大量的形核位置被提供，使相变后铁素体的晶粒更加细化。形变也使低碳贝氏体钢等温相变孕育期缩短，使连续冷却相变温度提高，促进了连续冷却时的贝氏体和多边形铁素体相变，相变开始点和结束点均有提高，使贝氏体和多边形铁素体转变曲线向左上方移动。

3 结论

试验钢在3～50℃/s冷却范围内，均可得到贝氏体组织，当冷却速度为30℃/s以上时还会出现部分马氏体组织。随着冷却速度的提高，贝氏体开始相变温度和转变结束温度相应降低，显微组织逐渐由粒状贝氏体向板条贝氏体转变，且相变组织越加细小。

［1］ Peng Huifen，Ma Xiaoli，Song Xiaoyan.Microstructure and properties of the 25Si2MnCrMo martensite microalloyed steel［C］.Transaction of Materials and Heat Treatment Proceedings of the 14TH IFHTSE Congress，2004，25（5）：275－278.

［2］ 余驰斌，颜飞，赵刚.奥氏体变形及其对连续冷却相变的影响［J］.钢铁钒钛，2004，25（2）：23－26.

［3］ 张世中.钢的过冷奥氏体转变曲线图集［M］.北京：冶金工业出版社，1993：1－21.

［4］ 潘涛，杨志刚，白秉哲，等.钢中夹杂物与奥氏体基体热膨胀系数差异导致的热应力和应变能研究［J］.金属学报，2003，39（10）：1037－1042.

（责任编校：李秀荣）

Study on Microstructure Transformation of Low Alloy High Strength Steel in Continuous Cooling

LIANG Guo－lia，YUAN Shao－qianga，HAO Binb

（a.Department of Electromechanical Engineering；b.Department of Environmental chemistry and Engineering，Tangshan College，Tangshan 063000，China）

This paper studies the microstructure transformation by thermal expansion method based on the high strength low alloy steel.The results show that the bainite structure can be got when the cooling rate is 3～50℃/s.When the cooling rate is above 30℃/s，part of martensite can be got.With the increase of cooling rate，the bainite start temperature and finish temperature is correspondingly reduced with cooling rate increase.The microstructure gradually transformed from the granular bainite to lath bainite，and the microstructure is very fine.

high strength low alloy steel；thermal expansion method；phase transformation microstructure

book=63,ebook=63

TG113.12

A

1672－349X（2012）03－0071－03

2012－02－29

河北省自然科学基金－钢铁联合研究基金项目（E2011105006）

梁国俐（1974－），女，河北丰润人，副教授，博士研究生，主要从事新型材料焊机工艺研究。