不同退火温度下铁素体和珠光体组织的演变分析

供稿|陈宇，胡洋，关琳，焦坤 / CHEN Yu, HU Yang, GUAN Lin, JIAO Kun

内容导读

文章主要研究了不同退火温度下铁素体和珠光体组织的变化以及不同组织形态对力学性能的影响。在光学显微镜下观察不同退火温度下铁素体和珠光体组织的变化，且通过万能拉伸机测试不同退火温度下试样的力学性能，经退火后材料强度大幅度下降。珠光体未发生球化时，由于在加热过程中，金属原子活动能力增强，自发的向外扩散，大晶粒吞食小晶粒而重新长大引起强度下降。珠光体发生球化后强度随退火温度的升高而降低的主要原因是球化珠光体的强度要比片层状珠光体的强度低，珠光体的球化使铁素体基体中的固溶原子扩散并在晶界附近形成碳化物，聚集的碳化物使得固溶原子越来越少，固溶强化作用越来越弱，引起材料整体的强度下降。研究结果解释了不同退火温度下显微组织的变化对力学性能的影响，对制定退火工艺有实际的指导意义，为降低热轧后钢板的强度来满足用户的特殊需求奠定了基础。

常态下金相组织为铁素体和珠光体的钢种在实际生产中普遍使用，而退火工艺也是一种常见而且应用广泛的热处理工艺。如何采用不同的退火温度，来改变铁素体和珠光体的晶粒尺寸以及组织形态，从而改变材料的力学性能，使其适用于不同客户的需求是非常值得研究的课题。尤其近年来随着汽车行业环保、减重节能战略的提出，高强度钢板在汽车行业的应用比例逐年增加，其市场前景也非常广阔[1]。一些应用于汽车行业的钢板有降低热轧后强度的特殊要求。通过调整不同的退火温度，可以改变组织的形态，达到降低钢板热轧后强度的目的。基于此，本文主要研究了不同退火温度下铁素体和珠光体组织的变化以及不同组织形态对力学性能的影响，研究结果解释了不同退火温度下显微组织的变化对力学性能的影响，对制定退火工艺有实际的指导意义，为降低热轧后钢板的强度来满足用户的特殊需求奠定了基础。

实验

实验钢为工业生产的高强度热轧钢板，其生产流程：铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→连铸→热连轧→力学性能检验，化学成分如表1所示。取热轧厚度为2.8 mm的试样切成30 mm×30 mm的金相试样4个，50标距的拉伸试样6个。进行退火实验，退火温度分别为610、650、680℃。具体工艺为将试样随炉加热到610、650、680℃，保温6 h，随炉冷却。将退火后的试样沿垂直于轧向的横截面切开，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀。通过光学显微镜对显微组织进行观察，研究不同退火温度下的组织变化。通过SEM扫描电镜对退火金相组织中的珠光体球化后的合金富集情况进行观察。最后通过ZWICK万能拉伸机对退火后的试样进行拉伸实验，研究不同退火温度下力学性能的变化以及组织变化对力学性能的影响。

表1 实验钢的成分(质量分数)%

实验结果

微观 组织检验

热轧态的组织为铁素体+珠光体，组织细小并且晶粒不均匀，带状明显，晶粒尺寸为4.88 μm，珠光体呈带状分布在铁素体的晶界，为片状珠光体。经610℃退火后的组织为铁素体+珠光体，铁素体晶粒在加热后重新长大，晶粒尺寸为7.03 μm，重新长大的铁素体比热轧态的铁素体组织均匀，仍存在带状组织，珠光体仍为片层状。经650、680℃退火后的组织为铁素体+珠光体，珠光体退火后被破碎而发生球化，组织细小均匀，无明显带状组织，具体形貌如图1所示。

扫描 电镜检验

采用SEM扫描电镜对退火后产生的球化珠光体进行分析。在650、680℃退火过程中，固溶于奥氏体中的碳，依托于未溶碳化物，以非自发形核的方式全部析出，完成了球化过程，形成了铁素体基体上分布的球化珠光体组织[2]。在此过程中部分合金元素(如锰)未能完全溶解而聚集在球化的珠光体中，出现了合金富集的现象，具体的形貌以及富集的元素如图2所示。

图1 不同退火温度的显微组织：(a) 热轧态；(b) 610℃退火；(c) 650℃退火；(d) 680℃退火

图2 球化珠光体合金富集现象的扫描电镜观察

力学 性能检验

热轧态试样的屈服强度为820 MPa，抗拉强度为975 MPa，断后伸长率为16%，经退火后，屈服强度和抗拉强度均有大幅度的下降，并且退火温度越高，强度下降的越多，680℃退火时屈服强度下降了380 MPa，抗拉强度下降了410 MPa，断后伸长率提高了8%，具体力学性能如表2所示。

结果分析

铁素 体晶粒长大对强度的影响

对热轧态与610℃退火后的组织与性能进行分析。由于热轧后经过层流水快速的冷却，铁素体晶粒未得到充分的长大，因此热轧态的铁素体晶粒细小且不均匀，而且珠光体呈片层状分布在铁素体的晶界处，一定程度上限制了铁素体晶粒的长大。在退火加热过程中，金属原子获得足够的活动能力，克服了珠光体对铁素体的限制作用。铁素体晶粒挣脱束缚，自发的向外扩散，大晶粒吞食小晶粒而重新长大。铁素体晶粒变粗，晶界减少，阻碍位错运动的作用减小，因而强度降低。

铁素 体晶粒球化对强度的影响

650、680℃退火后与610℃退火后的组织与性能进行对比分析。随着退火温度的升高，珠光体开始产生球化。所谓珠光体球化是指珠光体中的渗碳体(碳化物)由片层状结构逐渐转变成球状结构以及后续的球状粒子聚集长大的过程[3]。退火后组织球化的强度要比组织未发生球化的强度低，其原因是球化的珠光体强度要比片层状珠光体的强度低，片层状结构的碳化物对位错运动的阻力要远大于球状结构的碳化物。珠光体球化之前，位错在运动过程中遇到片层状碳化物时，由于其硬而脆，难以产生塑性变形，导致位错在层片状碳化物的位置不断地积塞，除非在足够大的外力条件下，位错才有可能克服阻力而开始运动。所以认为片层状结构的珠光体具有较高的强度，球化后的强度会大幅度的下降。

珠光体在球化过程中，铁素体基体中的固溶原子会通过位错、空位及晶界进行扩散并在晶界附近形成碳化物。随着球化程度的加深，晶界碳化物聚集，固溶原子越来越少，由固溶原子而产生的固溶强化作用也越来越弱，铁素体显微硬度因此降低，材料的整体强度也随之下降[4]。

表2 退火后的材料力学性能

结束语

1) 热轧态与退火后的金相组织均为铁素体+珠光体。610℃退火后的金相组织与热轧态对比，珠光体仍为片层状，且片层有所加粗，铁素体晶粒重新长大。650、680℃退火后的金相组织与热轧态对比，珠光体发生球化，组织分布更加均匀。

2) 通过扫描电镜的观察发现，在650、680℃退火珠光体球化后，在珠光体球化部分存在合金元素(如锰)未能完全溶解而聚集，产生了合金富集的现象。

3) 经退火后屈服强度和抗拉强度均有大幅度的降低。680℃退火屈服强度下降了380 MPa，抗拉强度下降了410 MPa。且强度随着退火温度的增加而下降，不同的退火温度对断后伸长率的影响变化不大。

4) 对热轧态与610℃退火后的组织与性能进行分析，得出在珠光体未发生球化时，强度降低的主要原因是铁素体晶界克服了珠光体的限制作用，自发的向外扩散，大晶粒吞食小晶粒而重新长大。

5) 退火的温度越高强度越低的原因是650、680℃退火后的组织发生了球化。球化的珠光体强度要比片层状珠光体的强度低，而且由于珠光体的球化使铁素体基体中的固溶原子会通过位错、空位及晶界进行扩散并在晶界附近形成碳化物，晶界碳化物的聚集使得固溶原子越来越少，固溶强化作用越来越弱，铁素体显微硬度因此降低，材料的整体强度也随之下降。

[1] 康永林，朱国明. 中国汽车发展趋势及汽车用钢面临的机遇与挑战. 钢铁，2014，49(12)：1

[2] 张朝磊. 铌对轴承钢球化退火过程中碳化物的影响. 世界金属导报，2017-02-08(B08)[2007-09-26]

[3] 潘金平，潘柏定，程宏辉，等. 15CrMoG钢管的寿命评估新方法.金属热处理，2012，37(10)：71

[4] 刘明武，苏辉，张晋坤. 15CrMo钢珠光体球化对性能的影响. 金属热处理，2015，40(6)：42