超级贝氏体钢的热处理工艺及性能研究

张 聪，汪 淼，胡 锋，吴开明，罗迪欧诺娃·伊琳娜

（1.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北武汉，430081；2.武汉科技大学国际钢铁研究院，湖北武汉，430081；3.俄罗斯巴尔金中央黑色冶金科学研究院，俄罗斯莫斯科，105005）

超级贝氏体钢的热处理工艺及性能研究

张 聪1，2，汪 淼1，2，胡 锋1，2，吴开明1，2，罗迪欧诺娃·伊琳娜3

（1.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北武汉，430081；2.武汉科技大学国际钢铁研究院，湖北武汉，430081；3.俄罗斯巴尔金中央黑色冶金科学研究院，俄罗斯莫斯科，105005）

本文对比研究了一步、二步等温贝氏体转变及贝氏体转变+碳分配热处理工艺对超级贝氏体钢微观组织与力学性能的影响。结果表明，三种工艺处理后的试验钢组织主要为纳米级贝氏体铁素体及残余奥氏体，且与一步法相比，二步等温贝氏体转变及贝氏体转变+碳分配处理后的超级贝氏体钢组织更为细小，残余奥氏体的体积分数下降，力学性能显著提升，而贝氏体转变+碳分配处理工艺的热处理时间则相对较短。

超级贝氏体钢；贝氏体转变；碳分配；显微组织；力学性能

Bhadeshia、Caballeo等［1-4］创新研发的高硅高碳低合金超级贝氏体钢，具有良好的强韧性配合，与普通低碳钢相比，该类钢经奥氏体化后可在更低的温度下发生贝氏体相变，进而获得纳米结构的贝氏体铁素体板条以及薄膜状的残余奥氏体组织，其抗拉强度最高可达2500 MPa，韧性大于30～40 J。然而，经传统的等温转变得到的超级贝氏体钢，其残余奥氏体中碳含量较高，这会导致其相变驱动力减少，并使C曲线右移，因此需大大延长等温时间才能保证足够含量纳米级的贝氏体生成；此外，进一步降低贝氏体等温转变温度虽有助于获得板条更为细小的贝氏体组织，但长达数天的转变时间则制约了其在工业生产上的应用。徐祖耀等［5］提出了一种超高强度钢的热处理工艺，即“淬火-碳分配-回火”工艺，其在马氏体转变的基础上，增加了碳分配与回火阶段，使C从过饱和马氏体中扩散至残余奥氏体中，复杂碳化物也会在回火阶段从马氏体基体中析出，同时起到了增加钢塑韧性以及析出强化的效果。

基于此，本文提出了一种贝氏体转变+碳分配工艺，并与等温贝氏体转变工艺进行对比，研究了不同热处理方式对超级贝氏体钢显微组织与力学性能的影响，以期为强韧性良好的超级贝氏体钢的研发及工艺优化提供理论依据。

1　试验材料与方法

试验材料为武汉钢铁（集团）公司某厂生产的热轧钢板，其化学成分如表1所示。

表1　超级贝氏体钢的化学成分（wB/%）Table 1 Chemical compositions of super bainitic steel

根据J-Mat Pro软件［6］和MUCG83软件［7］计算的CCT、TTT曲线以及Gleeble 3500热模拟试验机［8］测定的热膨胀曲线，可得超级贝氏体钢的马氏体相变温度（MS）为208℃，贝氏体相变温度（BS）为450℃，Ac1为721℃，Ac3为757℃。据此，采用如图1所示的工艺分别对超级贝氏体钢进行热处理。

图1　超级贝氏体钢的热处理工艺Fig.1 Heat treatment processes for super bainitic steel

在热处理试样上截取横截面为10 mm×10 mm的样品，打磨抛光后，用4%硝酸酒精进行腐蚀，采用Olympus BM51型光学显微镜（OM）及Nova 400 Nano型扫描电镜（SEM）观察试样的组织形貌；根据GB/T 228—2002测定试样的室温拉伸性能；根据GB/T 229—2007测定试样室温及-40℃下的冲击吸收功。

2　结果与分析

2.1显微组织

图2和图3分别为不同工艺热处理后试样的OM和SEM照片。从图2中可以看出，试验钢的热处理组织均为残余奥氏体（白色）及贝氏体铁素体（黑色），经一步等温贝氏体转变得到的组织中，其残余奥氏体块状较大（图2（a）），而经两步法处理后，组织中块状残余奥氏体的尺寸显著减小，其体积分数也明显下降（图2（b）和图2（c））。

图2　热处理后超级贝氏体钢的OM照片Fig.2 Optical micrographs of super bainitic steel after heat treatment

从图3中可进一步看出，试验钢显微组织由纳米结构贝氏体铁素体（BF）及块状或薄膜状残余奥氏体（RA）组成，纳米结构贝氏体分布于残余奥氏体基体上；经两步工艺处理后的贝氏体组织均较为细小（图3（b）和图3（c）），且二步等温贝氏体转变后残余奥氏体的体积分数相对更少，但其等温阶段的时间（24 h）明显长于贝氏体转变+碳分配工艺（30 min）。

图3　热处理后超级贝氏体钢的SEM照片Fig.3 SEM micrographs of super bainitic steel after heat treatment

2.2力学性能

表2为经不同工艺热处理后超级贝氏体钢的力学性能。由表2可知，经过二步法处理后，试验钢的屈服强度提升至1300 MPa水平，且与一步等温贝氏体转变法相比，涨幅分别为29.3%和28.9%，其抗拉强度也提升至1600 MPa左右水平，涨幅分别为16.3%和9.31%；由此可见，二步等温贝氏体转变得到超级贝氏体钢的强度最佳。在韧性方面，实验结果并不理想，经过二步法处理后的试样，其室温与低温韧性虽然较一步法有所提高，但区别并不明显。

表2　不同热处理工艺下超级贝氏体钢的力学性能Table 2 Mechanical properties of super bainitic steel after heat treatment

3　讨论

3.1热处理工艺对材料组织的影响

综合上述实验结果，结合如图4所示的超级贝氏体钢在不同工艺热处理后的TEM照片［9-10］可知，试验钢经过低温贝氏体转变，可获得纳米级贝氏体铁素体板条及残余奥氏体组织，同时在贝氏体板条中也可观察到Fe-C碳化物颗粒；而其经过贝氏体转变+碳分配工艺处理后，其显微组织主要为纳米结构的贝氏体、残余奥氏体、铁素体及细小的碳化物；经二步等温贝氏体转变及贝氏体转变+碳分配工艺处理后的试验钢，其残余奥氏体显著细化，且新形成的贝氏体或铁素体板条都更为细小，原因是新形成的贝氏体或铁素体将原来的薄膜状和微米/亚微米块状残余奥氏体块分隔成更小的区域，且都形成了富碳的纳米级贝氏体或铁素体。

图4　超级贝氏体钢的TEM照片Fig.4 TEM micrographs of super bainitic steel

另一方面，对于二步等温贝氏体转变而言，由于未转变奥氏体会在第二步更低的等温温度下保持足够长的时间，这使得残余奥氏体会进一步向纳米级贝氏体铁素体转变。在汪兴隆［11］的研究结果中该现象也同样存在，即在多步等温贝氏体转变的中碳钢（w（C）=0.30%，w（Si）=1.46%）中，第一步生成的贝氏体也会在第二步等温过程中得到细化；而Caballero等［12-14］在超级贝氏体的回火过程中，并未发现C从过饱和的贝氏体铁素体向富碳残余奥氏体中分配，同时观察到450℃回火30 min时，一些残余奥氏体也分解为铁素体和渗碳体。

而对于贝氏体转变+碳分配工艺处理的试验钢，由于在碳分配过程中，未转变奥氏体分解成铁素体和碳化物只需很短的时间，残余奥氏体中的C可能会向贝氏体扩散，未转变的富碳奥氏体也可进一步分解为细小的铁素体和碳化物；在最后水淬阶段，由于残余奥氏体中含碳量较高，使马氏体转变温度大幅降低并低于室温，因此中高碳钢的淬火阶段并不会有马氏体生成。

3.2热处理工艺对材料力学性能的影响

经过二步等温贝氏体转变和贝氏体转变+碳分配工艺处理后，试验钢力学性能显著提高，这主要与显微组织类型及晶粒尺寸有关，由于细晶强化及析出强化作用的存在，纳米级的组织及碳化物颗粒的形成使试验钢的强度得到显著的提高，而贝氏体转变+碳分配处理中生成的纳米级铁素体板条与在多步贝氏体转变处理中生成的纳米级的贝氏体板条都能显著提高钢的韧性［10］。

本实验热处理后钢的整体韧性不佳，可能是由于该纳米结构贝氏体组织在冲击过程中，应变诱导马氏体相变的区域非常浅，距离冲击断口附近只有几微米，因此在样品冲击过程中当裂纹产生与扩展时，裂纹尖端处会立即发生应变诱导马氏体相变，而连续的马氏体相变很大程度上促进了裂纹的扩展，进而导致冲击实验得到的冲击韧性较低［15］。与常规情况下残余奥氏体在应力作用下发生马氏体转变时的有益作用相反，此时残余奥氏体在冲击实验中反而会使韧性下降。

4　结论

（1）常规一步等温贝氏体转变得到的显微组织为贝氏体和残余奥氏体，二步等温贝氏体转变所得显微组织为纳米级贝氏体和残余奥氏体，贝氏体转变+碳分配工艺所得显微组织为纳米级贝氏体、残余奥氏体和铁素体。相对于一步等温贝氏体转变，二步等温贝氏体转变和贝氏体转变+碳分配工艺得到的贝氏体组织更为细小，残余奥氏体体积分数明显下降。

（2）贝氏体转变+碳分配工艺在得到与二步等温贝氏体转变工艺类似力学性能材料的同时，能大幅度地节省热处理时间。

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［责任编辑 董 贞］

Heat treatment processes and properties of super bainitic steels

Zhang Cong1，2，Wang Miao1，2，Hu Feng1，2，Wu Kaiming1，2，Rodionova Irina3
（1.State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.International Research Institute for Steel Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；3.I.P.Bardin Central Research Institute for Ferrous Metallurgy，Moscow 105005，Russia）

In this paper，the effects of heat treatment processes，including one-step and two-step isothermal bainitic transformation as well as bainitic transformation+carbon partitioning，on the microstructures and mechanical properties of super bainitic steels were investigated comparatively.The results show that microstructures of investigated steels after three different heat treatment processes are nanostructured bainitic ferrite and retained austenite.Compared with one-step method，the super bainitic steels treated by two-step isothermal bainitic transformation and bainitic transformation+carbon partitioning techiniques exhibit finer microstructures，lower volume fractions of retained austenite and better mechnical properties，but the bainitic transformation+carbon partitioning method requires shorter heat treatment time.

super bainitic steel；bainitic transformation；carbon partitioning；microstructure；mechanical property

TG142

A

1674-3644（2016）05-0321-04

2016-03-07

湖北省科技支撑计划（对外科技合作类）资助项目（2015BHE00815）.

张 聪（1990-），女，武汉科技大学硕士生.E-mail:1584549347@qq.com

吴开明（1966-），男，武汉科技大学教授，博士生导师.E-mail:wukaiming@wust.edu.cn