珠光体钢晶粒尺寸与拉伸性能的关系研究

珠光体钢晶粒尺寸与拉伸性能的关系研究*

曹毓鹏1，2，蒋永1，冉巍巍1，肖祥丽2，魏泽民1,2，梁宇1,2

(1.贵州大学材料与冶金学院，贵州贵阳550025；2.贵州省材料结构与强度重点实验室，贵州贵阳550025)

摘要：以中高碳碳素钢为研究对象，研究了奥氏体化温度与盐浴等温温度对珠光体组织及其性能的影响，试验进行了微观组织观察与统计，力学性能测试与断口观察。结果表明珠光体片间距随等温温度下降而细化，在相同等温温度下细晶粒钢中先共析铁素体含量高于粗晶粒钢，珠光体钢的强度指标主要取决于珠光体的片层间距，而原奥氏体晶粒大小与先共析铁素含量对其塑性指标的影响比较明显。

关键词:珠光体钢微观组织力学性能

中图分类号：TG115.21文献标识码：A

基金项目：贵州大学大学生创新创业训练计划项目(贵大省创字[2013]005)。

作者简介：曹毓鹏(1992-)，男，山西介休人，贵州大学本科，材料科学与工程专业。

通讯作者：梁宇(1978-)，男，副教授。

收稿日期：2015-04-03

Research on relationship between grain size and tensile properties of pearlitic steel

CAO Yupeng，JIANG Yong，RAN Weiwei，XIAO Xiangli，WEI Zemin，LIANG Yu

Abstract:High carbon steel was employed in this study. The effect of austenitizing temperature and bath isothermal temperature on the pearlitic microstructure and properties were investigated. And the microstructure was observed and counted, mechanics properties were tested and fractures were observed. The results show that the interlamellar spacing of pearlitic structure is refined with the decreasing of the isothermal temperature. At the same isothermal temperature, the amount of proeutectoid ferrite in fine grained steel is more than the coarse-grained one. The strength of pearlitic steel is determined by the interlamellar spacing of pearlitic structure, and plasticity index is influenced distinctly by austenite grain size and proeutectoid ferrite content.

Keywords:pearlitic steel ; microstructure; mechanical properties

T7钢是属于碳素工具钢，具有一定的硬度，韧性，广泛应用于锯、凿、铆、锤、锻模、压模，钳工工具等中。其中的珠光体组织是钢中的重要组织之一，高品质盘条钢，钢丝，钢绞线产品，城轨，地铁列车车轮、轨道等均是重要的珠光体组织结构件。国内外研究对珠光体片层间距和原奥氏体晶粒及珠光体团尺寸等参数与力学性能指标进行了探索，细化珠光体亚结构组织，提高其综合力学性能的研究已较为广泛[1-3]。细小的片层间距有利于珠光体钢强度的提高，而细化原奥氏体晶粒则有利于其塑韧性的提高[4]。还有试验指出，细珠光体团有利于提高基体疲劳裂纹扩展阻力[5]。但对珠光体晶粒尺寸，珠光体片层间距，珠光体团尺寸，奥氏体化温度等因素对力学性能影响，以及通过显微组织对构件使用范围的判断还有待进一步的细化研究。对珠光体组织与力学性能的研究将有助于了解影响构件力学性能的主要因素，判断构件的使用寿命，同时指导相关热加工工艺的实施。

1实验材料与方法

实验所用材料为市售高碳钢，主要化学成分见表1。分别选取8组试样进行热处理，热处理工艺见表2所示。热处理试验用设备是SRJX-4-13型箱式电阻炉以及配套的KSY-6-16型XMT系列数显温控仪。

表1

化学成分/w/%

表2

试样热处理工艺

热处理后，各组试样分别加工成直径为8 mm的标准圆柱拉伸试样，在Instron8501万能试验机上进行力学性能试验。切取金相试样，磨制抛光后用3%的硝酸酒精溶液侵蚀，奥氏体晶粒度采用过饱和苦味酸水溶液腐蚀，在Leica DMI5000M智能数显式金相显微镜下观察金相组织。在ZEISS SUPRA40型场发射扫描电子显微镜(SEM)进行微观组织和断口观察，片层间距及团尺寸测量采用多张 SEM 照片通过截线法进行测量，并取平均值。

2实验结果

2.1微观组织观察

两种不同奥氏体化温度所得奥氏体晶粒照片如图1所示，可以看出奥氏体晶粒尺寸随着奥氏体温度的升高而增大。

(a)1 000℃　　　　　　　　　　(b)860℃ 图1　奥氏体晶粒组织

图2和图3分别为1 000℃和800℃奥氏体化保温后分别在600℃、550℃、500℃、450℃保温后的金相组织。从图中可观察到1 000℃奥氏体化试样组织更为粗大，在相同等温盐浴温度时1 000℃奥氏体化试样中先共析铁素体量相对于800℃奥氏体化试样的先共析铁素体量要少。

图2　T7钢1 000℃奥氏体化不同温度等温的显微组织

图3　T7钢860℃奥氏体化不同温度等温的显微组织

图4　珠光体片层图

两组奥氏体化温度中500℃，550℃等温的试样的片间距SEM图像如图4所示，500℃等温试样片间距相对550℃等温试样片间距要细小，晶粒尺寸相对细小的860℃奥氏体化试样与晶粒尺寸相对粗大的1 000℃奥氏体化试样对比，其先共析铁素体明显含量较多。不同奥氏体化温度与不同盐浴等温温度试样片层间距、珠光体团尺寸与先共析铁素体含量统计结果见表3所示。

根据表3，随珠光体等温转变温度的降低，珠光体片层间距逐渐减小，且随着过冷度的降低珠光体形核率下降，珠光体团尺寸开始上升。在粗晶粒钢中，由于晶界少，相变形核位置则少，因此相同等温温度下粗晶粒试样相对细晶粒试样珠光体团尺寸要小。但由于细晶粒试样形核位置较多，则在冷却过程中更容易在晶界出现先共析铁素体，因此，奥氏体晶粒尺寸较细小的试样组织相对细化，但先共析铁素体含量相对较多。

表3

不同热处理工艺下显微组织特征

2.2力学性能

不同热处理工艺力学性能如图5。图5(a)为不同热处理工艺下试样的平均强度指标，从性能结果来看，强度是随等温温度的上升而呈下降趋势，但在相同的等温温度条件下，1 000℃与860℃奥氏体化试样强度差异并不非常明显，相同等温温度下晶粒尺寸较小的860℃奥氏体化试样强度并不比晶粒较粗大的1 000℃奥氏体化试样更大。两组不同奥氏体化温度中相同等温温度下的试样塑性差距明显(图5(b))，因此晶粒尺寸相对于珠光体片层间距对断面收缩率和伸长率等塑性性能影响比较明显。

(a)强度指标　　　　　　　　(b)塑性指标 图5　力学性能

3分析与讨论

珠光体结构钢中除了晶粒尺寸外，还有珠光体团尺寸，片层间距，先共析铁素体组织等丰富的微观结构，每一种亚结构尺寸对珠光体的各项力学性能都具有不同的影响。对于珠光体结构钢线材来说，其冷拔性能要求其具有较高的索氏体化率，防止先共析铁素体对性能的有害影响[6]。但在本研究中发现以及相关报道中[7,8]指出，相同的等温温度下，细晶粒钢由于晶界多，相变有效形核位置高，因此更容易促进先共析铁素体的析出，因此对于珠光体相变，晶粒尺寸与冷却速度的合理配合才能防止先共析铁素体的大量形成。

影响珠光体钢力学性能的微观组织主要是片间距[9-13]，本实验中试样力学性能随片层间距的上升而呈明显下降趋势，同时较低的等温温度带来较高的形核过冷度，珠光体团尺寸由此也显著细化，但其强度指标主要与片层间距对应。而从塑性指标来看，晶粒细化能大幅降低拉伸过程在晶界上的应力集中现象，增加裂纹的扩展阻力，提高裂纹扩展阻力，能够满足试样均匀塑性变形能力要求。如图6为1 000℃奥氏体化在500℃等温的试样(图6(a))与860℃奥氏体化在500℃等温试样(图6(b))的断口对比，从图中明显看出，粗晶粒断口主要呈现一种沿珠光体片层解理的形貌，珠光体片层形貌特征在断口中反映比较明显，而细晶粒试样的断口主要是一种韧窝形貌，其断裂过程塑性变形消耗了大量的能量，是一种典型的塑性断口。

(a)1000℃-860℃-500℃　　　(b)860℃-500℃纤维区 　　　　　纤维区 图6　断口SEM

4结论

1)珠光体钢的强度主要由片层间距所决定，对珠光体相变等温温度的上升，珠光体片层间距增加，强度指标呈下降趋势。晶粒尺寸对其强度的影响不明显。

2)随晶粒尺寸的细化，相同相变等温温度条件下先共析铁素体含量上升，且晶粒细小，珠光体相变形核率上升，珠光体团尺寸越细化，晶粒尺寸对塑性指标具有明显影响。

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