等温时间对冷变形贝氏体钢组织和性能的影响

张 月，李青春，常国威

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001）

等温时间对冷变形贝氏体钢组织和性能的影响

张 月，李青春，常国威

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001）

研究了不同等温时间对冷变形超级贝氏体钢组织与性能的影响。结果表明：随着等温时间的延长，贝氏体组织增多，残奥含量先降低后升高，抗拉强度增加，延伸率降低。冷轧试样在950 ℃保温30 min后，在300 ℃保温1 h时，延伸率最大为12.5%，组织中残奥含量为11.1%，拉伸前后残奥含量变化为8.8%，因发生TRIP效应使强塑积达到24.88 GPa·%，综合性能最佳。

贝氏体；等温时间；冷变形；组织；性能

贝氏体是过冷奥氏体的中温转变产物，转变温度介于珠光体和马氏体转变温度之间，这种组织自被发现以来[1]一直受到研究人员的关注[2]，近年来开发的一种组织为贝氏体铁素体和薄膜状残余奥氏体交替组成的晶粒尺寸达到纳米级的新型钢种[3]更是成为了有发展潜力的结构材料，这种钢种被称为超级贝氏体钢或纳米贝氏体钢[4-5]等。已有研究发现通过加入一定量的非碳化物形成元素 Si来抑制相变时渗碳体析出[6-7]而获得该种组织。最常见的改性研究为改变奥氏体化条件[8-10]的研究。

本文主要利用电镜进行组织形貌观察、利用X射线衍射仪做定性和定量分析及力学性能表征等方法，研究贝氏体等温转变时间对冷变形超级贝氏体钢组织与性能的影响，分析其组织和性能的变化规律。

1 实验材料与方法

实验以Fe-0.6C-0.35Mn-2.5Si-0.78Al钢为实验材料，将实验钢切成6 mm后板料，在冷轧机上轧制成3 mm的板料。将轧制后的板料按国家拉伸实验标准GB/T228.1-2010加工成标距为30 mm的板材试样，然后把试样放在高温炉950 ℃保温30 min后，迅速放入300 ℃的盐浴炉内分别保温1、2 h和3 h后空冷至室温。热处理后制备金相试样，利用型号为Axiovert 200 MAT的蔡司显微镜和型号为S-3000N扫描电子显微镜进行组织观察，利用CMT5305型号的电子万能试验机进行拉伸实验，对其力学性能进行表征，选用X射线衍射仪（D/MAX PC-2500）对切取的拉伸试样的夹持端和断口试样做定相和定量分析。

2 实验结果与分析

2.1 等温时间对超级贝氏体钢组织的影响

为了考察等温贝氏体转变时间对贝氏体组织的影响，将冷轧试样在950 ℃保温30 min后，在300 ℃分别保温1、2 h和4 h。图1为其不同等温处理时间的超级贝氏体组织。

图1 不同等温处理时间的超级贝氏体组织

通过测试Fe-0.6C-0.35Mn-2.5Si-0.78Al钢热膨胀曲线，得出该钢在300 ℃保温2 h，等温贝氏体转变已经结束。从图1可以看出，实验钢在300 ℃保温1 h后，组织中除了贝氏体外，在原奥氏体晶界有少量铁素体，在300 ℃保温2、4 h处理后，得到的全是贝氏体组织。获得的贝氏体均为贝氏体铁素体(深色)和薄膜状残余奥氏体(浅色)相隔平行排布的显微组织，等温时间不同，贝氏体铁素体和薄膜状残奥的厚度变化不大，贝氏体铁素体厚度主要在200～600 nm之间，薄膜状残奥的厚度主要在500 nm到1 μm之间，还有些块状残奥。

图2是不同等温处理时间下超细贝氏体钢的XRD图谱及拉伸实验前残奥的含量。可以看出，超细贝氏体组织均由bcc结构的α相和fcc结构的γ相组成。根据计算的残奥含量发现，在300 ℃保温1 h，残奥含量最多，为11.1%。在300 ℃延长保温时间到2 h，残奥含量明显降低，为5.8%。与保温2 h相比，延长保温时间到4 h，残奥含量略有增加，为7.2%。

图2 不同等温处理时间下超细贝氏体钢的XRD图谱及拉伸实验前残奥的含量

根据Fe-0.6C-0.35Mn-2.5Si-0.78Al钢的等温转变曲线，该钢在300 ℃等温贝氏体转变孕育期为2 h。在300 ℃保温1 h，还有部分奥氏体没有转变成贝氏体，这部分奥氏体在等温后的空冷过程中，部分转变为马氏体，大部分残留到室温。因此，在300℃保温1 h，残奥含量最多。在300 ℃保温2 h后，残奥含量明显降低，这是因为等温贝氏体转变基本结束，剩余的残奥数量减少，这部分残奥部分转变为马氏体，部分残留到室温。因此与保温1 h相比，保温2 h后残奥含量明显降低。当保温时间延长到4 h，由于贝氏体铁素体中溶质碳向残奥中扩散，残奥因碳含量增加而稳定，因此在随后的空冷过程中，残奥没有转变成马氏体而保留到室温。与保温2 h相比，保温4 h后，残奥含量略有增加。

2.2 等温时间对超级贝氏体钢力学性能的影响

图3为超细贝氏体钢在拉伸实验后的XRD图谱和拉伸实验前后残余奥氏体含量的变化。从图中可以看出，试样在拉伸实验后残余奥氏体的含量明显降低。在300 ℃等温1 h，实验钢拉伸前后残奥含量变化最多为 8.8%。而实验钢 300 ℃等温 2 h和4 h后，拉伸前后残奥含量变化基本相同为4.5%和4.9%。

图3 超细贝氏体钢的XRD图谱及残余奥氏体含量值

经测得实验钢在300 ℃等温1、2 h和4 h的残奥含量中碳含量分别为1.72%、1.70%和1.78%。图4为不同保温时间处理后超细贝氏体钢的应力-应变曲线，冷轧试样在不同等温处理时间下超细贝氏体钢的拉伸性能曲线如图5所示。从图4和图5可以看出，实验钢在300 ℃等温，随着等温时间的延长，抗拉强度增加，伸长率降低。在300 ℃保温1 h，实验钢的伸长率最好，为12.5%，强塑积最大，为24.88 GPa·%。此时残奥含量为11.1%，残奥中碳含量为1.72%，实验钢在拉伸实验前后残奥含量变化明显（8.8%），说明发生了TRIP（transformation-induced plasticity）效应，导致其综合力学性能较佳。

图4 不同保温时间处理的应力-应变曲线

图5 不同保温时间处理的拉伸性能曲线

3 结论

(1)Fe-0.6C-0.35Mn-2.5Si-0.78Al钢试样在 950℃保温30 min、300 ℃保温1 h后，组织为贝氏体和晶界铁素体；在300 ℃保温2、4 h后，组织为贝氏体，贝氏体组织均为贝氏体铁素体和薄膜状残余奥氏体相隔平行排布的显微组织。(2)随着等温时间的延长，试验钢的残余奥氏体含量呈现先降低，后增加的规律。与保温1 h相比，保温2 h，贝氏体转变完全，所以残奥含量降低，保温4 h时，由于碳的扩散，残奥中碳含量增加，残奥稳定性增加，所以残奥含量增加。(3)随着等温时间的延长，试验钢的抗拉强度增加，延伸率降低。保温1 h时，延伸率最高为12.5%，抗拉强度最低。此时的强塑积最大，为24.88 GPa·%，综合性能最佳。

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[4]刘宏基,孙俊杰,郭生武,等.超高碳钢超级贝氏体转变及组织与性能[J].金属热处理,2015,40(3): 23-29.

[5]Garcia-Mateo C,Caballero F G.Ultra-high-strength Bainitic Steels[J].Isij International,2006,45(11): 502-506.

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[8]赵洪壮,Lee S J,Lee Y K,等.奥氏体化时间对 AISI 4340钢贝氏体连续转变动力学的影响[J].材料热处理学报,2006,27(4): 53-56

[9]张晓燕,闫超杰,梁益龙,等.冷却速度对新型贝氏体钢显微组织和力学性能的影响[J].热加工工艺,2008,37(16): 20-22.

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Effect of Isothermal Time on Microstructure and Properties of Super Bainitic Steel Treated by Cold Deformation

ZHANG Yue,LI Qing-chun,CHANG Guo-wei
（School of Materials Science and Engineering,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China）

The effects of different isothermal time on the microstructure and mechanical properties of super bainitic steel treated by cold deformation were studied.The results show that isothermal time ascending and bainite increasing,retained austenite decreased then increased,the tensile strength increases gradually and the elongation decreases.When the experimental steel of cold-rolled was austenitized at 950 ℃ for 30min,staying at 300 ℃ for 1 h,elongation reached the maximum value of 12.5%,the content of retained austenite is 11.1%,then the change of content of retained austenite is 8.8%,strength-ductility is 24.88 GPa·% for TRIP effect,comprehensive property is the best.

bainite; isothermal time; cold deformation; microstructure; mechanical property

TG142.2

A

1674-3261(2017)05-0324-04

10.15916/j.issn1674-3261.2017.05.011

2017-07-23

辽宁省教育厅重点实验室项目资助（LZ2015046）

张 月(1991-)，女，辽宁绥中人，硕士生。

李青春(1972-)，女，辽宁锦州人，教授，博士。

责任编校：刘亚兵