低温贝氏体钢的实验室研究

刘 超

(山钢股份莱芜分公司)

低温贝氏体钢的实验室研究

刘 超

(山钢股份莱芜分公司)

对低温贝氏体钢开展实验室研究，采用C、Si、Mn的成份设计，成本较低，热处理后，低温贝氏体钢的组织为超细贝氏体、残余奥氏体、马氏体的混合组织，抗拉强度约1 500 Mpa,均匀延伸率约15%，有优良的力学性能。

低温贝氏体 组织 热处理

0 前言

贝氏体钢是一种具有良好强度和韧性的钢种，在汽车、压力容器、石油管线中有广泛应用。低温贝氏体钢的贝氏体转变温度较低，约200 ℃～300 ℃，贝氏体转变时间长，从几十分钟到几十小时，较低的转变温度和较慢的转变速度获得超细的贝氏体组织，并且贝氏体铁素体板条中间不是析出碳化物而是残余奥氏体薄膜，其亚纳米超细贝氏体和少量马氏体、残余奥氏体结构决定了其超高强度和良好韧性[1]，能达到屈服强度1 000 MPa以上，均匀延伸率10%以上的优异力学性能，近年来对低温贝氏体钢的研究也越来越多。

1 成分设计

对于超高强度贝氏体钢的研究，化学成分设计的主要思路如下：加入较多的C和Mn以提高奥氏体稳定性，使γ→α转变线向低温方向移动，加入较多的Si、Al以抑制碳化物的析出，使得贝氏体板条中间不是析出碳化物而是残余奥氏体薄膜，加入较多的C以提高强度和降低贝氏体转变开始温度B和马氏体转变开始温度M，并且富碳的奥氏体稳定性很强，在贝氏体相变过程中会以薄膜装残余奥氏体的形式存在于贝氏体中间，从而达到改善钢材韧性的目的；加入较多的Mo以降低回火脆性；同时为了缩短贝氏体转变时间,需加入增高γ→α自由能的元素Al，为了减少临界冷却速度，增加贝氏体钢的淬透性，促进贝氏体钢的转变，加入较多的V和Mo，V还有细化晶粒的效果。

通过控制C含量来控制贝氏体转变开始温度B，通过控制Al含量来控制贝氏体转变速度并综合考虑以上因素，设计出的钢种成份见表1

表1 钢种成份

钢水的熔炼设备为50 kg真空感应炉，采用的熔炼材料为工业纯铁和高纯度合金。

2 热处理实验

钢水熔炼完毕后经模铸→锻造→轧制后成5 mm厚板材，然后进行热处理，低温贝氏体的转变过程中碳从贝氏体向残余奥氏体中扩散，进行碳的重新分配，在低温状态下，该过程很漫长[2]。根据LSB1、和LSB2的实测成份，查阅相图，确定其贝氏体转变温度范围约为200 ℃～300 ℃。所以制定如下热处理方案：

(1)先将钢板在高温马弗炉内保温10 min，进行钢板的奥氏体化，奥氏体化温度为850 ℃～900 ℃；

(2)将钢板从高温马弗炉内取出，空冷至300 ℃～400 ℃；

(3)将钢板放入低温马弗炉内，在250 ℃～290 ℃温度范围内保温较长的时间，进行奥氏体向低温贝氏体的转变；

(4)将钢板保温16 h～24 h后，从低温马弗炉内取出，空冷至室温，空冷过程中发生部分残余奥氏体向马氏体的转变。

具体热处理工艺见表2。

表2 热处理工艺

3 结果分析

热处理完后，做扫描电镜、显微金相分析和拉伸试验，拉伸试验设备为10 t级板材拉伸机，典型扫描电镜照片如图1所示、金相照片如图2所示，放大倍数为500倍，拉伸试验结果见表3，典型拉伸曲线如图3所示。

图1 典型扫描电镜照片

从典型扫描电镜照片可看出，其典型组织为细小贝氏体、马氏体和残余奥氏体，其中贝氏体板条尺寸约为0.1 um～0.2 um，残余奥氏体体积占50%以上，细小的贝氏体尺寸和较多的残余奥氏体含量有利于钢材韧性的提高。

图2 低温贝氏体钢的金相组织

从金相组织照片可看出，钢材组织为超细贝氏体、残余奥氏体、马氏体的混合组织，相比于其他试样， 2#、5#、6#、8#试样的贝氏体晶粒更细小、尺寸更均匀，贝氏体转变也较完全，说明这些试样的保温温度和保温时间较合适。

从表3可看出，热处理后的钢板抗拉强度性能在1 200 Mpa～1 800 Mpa波动，延伸率在7.5%～15%波动，体现了较好的力学性能；表中随着保温温度的降低，贝氏体含量减少、马氏体含量增多，钢材的抗拉强度增大，延伸率降低；290 ℃为较好的贝氏体转变温度，900 ℃为较好的奥氏体化温度； LSB2的C、Al含量稍低一些，LSB2的延伸率要好于LSB1， LSB2与LSB1的抗拉强度相当，说明LSB2的成份设计较为合理。

表3 低温贝氏体钢的力学性能

图3 低温贝氏体的典型拉伸曲线

试样8的拉伸试样为板材，尺寸为4.75 mm*12.45 mm*50 mm,拉伸曲线为图3，其屈服强度为1 370 MPa，抗拉强度为1 540 Mpa，延伸率为15.5%，该钢材有优异的强度和塑性，并且拉伸曲线有明显的屈服平台，说明抗断裂的塑性变形能力较好，可作为良好的吸能材料，在汽车用钢领域有良好的应用前景。

4 结论

低温贝氏体钢采用C、Si、Mn的成份设计，成本较低，其组织为超细贝氏体、残余奥氏体、马氏体的混合组织，抗拉强度约1 500 Mpa,均匀延伸率约15%，有优良的力学性能，是新一代重点研究的高强度贝氏体钢。但是这种钢的贝氏体转变时间较长，不利于工业化应用，还需对其生产工艺进一步优化。

[1] 徐光，操龙飞，补丛华，等.超级贝氏体钢的现状和进展[J].特殊钢, 2012,33 (1):18-21.

[2] Cahallero F G . Bhadeshis H K D H. Very Strong Bainite. Current O-pinion in Solid State and Materials Science,2004,8:251

LABORATORY STUDY OF LOW TEMPERATURE BAINITE STEEL

Liu Chao

(Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co., Ltd.)

Laboratory study of low temperature bainite steel was carry out with a low cost component design of C, Si, Mn. After heat treatment, the steel has a mixed structure of ultrafine bainite, retained austenite an d martensite. It has about 1 500 Mpa tensile strength and about 15 % uniform elongation with excellent mechanical properties.

Low temperature bainite Structure Heat treatment

超，工程师，山东.莱芜(271104)，山东钢铁股份有限公司莱芜分公司技术中心；

2016-12-17