Si对热轧双相钢相变规律的影响

2020-01-10马荣材祝志峰

产业与科技论坛 2019年23期

□马荣材祝志峰

双相钢以其良好的强度和延性匹配、高的初始加工硬化率、高的碰撞能量吸收能力和低屈强比等优点逐渐成为汽车制造的重要材料[1～2]。在双相钢中，有一种特别有效的添加元素，就是Si，它的作用针对铁素体可以提高其基体的连续性，并且可使马氏体不能相互联接，防止马氏体区域出现裂纹，同时铁素体中C的活度可被提高，使其能够表现出更好的韧性。然而目前关于Si含量对热轧双相钢影响的研究，大多止步于Si含量对热轧双相钢组织和性能的影响，对其相变规律研究较少。本文通过对不同Si含量试验钢的CCT曲线以及显微组织进行对比，分析了Si对高强热轧双相钢相变规律的影响，为高强度双相钢的产业化打好基础。

一、实验材料和方法

(一)实验材料。实验用钢的化学成分(质量分数，%)如表1所示。利用50kg真空炉冶炼，冶炼后将铸锭进行锻造，锻坯尺寸为40×70×90mm。

表1 化学成分(质量分数，%)

(二)实验方法。为绘制实验钢奥氏体变形后的连续冷却转变曲线，利用在Gleeble-3,500热模拟试验机进行试验，通过热膨胀法及金相观察最终确定曲线。

采用Gleeble-3,500热模拟机将试样以10℃/s的加热速度加热到1,100℃，然后以1℃/s的速度加热到1,200℃，保温3min，以10℃/s的速度冷却到1,100℃保温30s，以5s-1的变形速率压缩30%，再以5℃/s的速度冷却到850℃保温30s，以10s-1的变形速率压缩30%，然后分别以0.5℃/s、1℃/s、3℃/s、5℃/s、10℃/s、20℃/s、30℃/s的速度进行冷却，最后采集温度、膨胀量和时间数据绘制CCT曲线图。

各试样的显微组织通过金相显微镜观察，为描述不同冷速下组织中的铁素体转变量及晶粒尺寸，可采用ImageTools软件进行统计，实验钢不同冷速下铁素体的显微硬度则利用Leica VMHT 30M硬度仪测定。

二、结果与讨论

(一)低Si实验钢的CCT曲线及不同冷速下的显微组织。1号低Si实验钢CCT曲线如图1所示。实验钢CCT曲线中冷速在0.5～30℃/s范围内均发生铁素体转变，其转变温度范围为806～620℃，随冷速增加，铁素体开始转变温度降低，且0.5～5℃/s范围内可以观察到有部分珠光体转变，但相变温度范围较窄。当冷速大于1℃/s后，贝氏体转变则将出现，其转变温度范围为613～490℃，所有冷速情况下均有马氏体转变。

1号实验钢不同冷速下金相组织如图2所示，显微组织特点如表2所示。

图1 1号实验钢的CCT曲线

图2 实验钢不同冷速下的显微组织a:0.5℃/s; b:1℃/s; c:3℃/s; d:5℃/s;e:10℃/s; f:20℃/s; g:30℃/s

表2 显微组织

图3 2号实验钢的CCT曲线

(二)高Si实验钢的CCT曲线及不同冷速下的显微组织。2号高Si实验钢CCT曲线如图3所示。实验钢CCT曲线中冷速在0.5～30℃/s范围内均发生铁素体转变，其转变温度范围为826～630℃，随冷速增加，铁素体开始转变温度降低，且0.5～10℃/s范围内有部分珠光体转变，但相变温度范围较窄。当冷速大于3℃/s后，开始有贝氏体转变发生，贝氏体转变温度范围为585～470℃，0.5～30℃/s范围内均有马氏体转变。2号实验钢不同冷速下金相组织如图4所示，显微组织特点如表3所示。

图4 实验钢不同冷速下的显微组织a:0.5℃/s; b:1℃/s; c:3℃/s; d:5℃/s;e:10℃/s; f:20℃/s; g:30℃/s

(三)Si含量对实验钢相变规律的影响。2号实验钢较1号实验钢Si含量高约0.55wt%，比较两种实验钢的CCT曲线和不同冷速下的组织，可分析Si元素对相变规律的影响。

表3 显微组织

图5 1号和2号实验钢CCT曲线的对比

从图5可知，1号实验钢和2号实验钢CCT曲线特征基本一致，通过比较可见，对于实验用C-Si-Mn-Cr系列的热轧双相钢，Si含量增加0.55wt%，铁素体开始转变温度从806℃左右提高到826℃左右，铁素体终止转变温度也有少许的提高，即铁素体的转变区域扩大了。这是由于在奥氏体化过程中，C在铁素体中的化学势由于Si在铁素体中的聚集而提高，C元素向奥氏体中扩散的驱动力得到增强，C向奥氏体中聚集净化了铁素体基体，促进了铁素体的生成。1号实验钢珠光体转变结束的冷速约5℃/s，而2号实验钢珠光体转变结束的冷速约10℃/s。即Si含量的提高在促进铁素体转变的同时，也促进了珠光体转变。2号实验钢的贝氏体转变温度区间略低于1号实验钢，可见Si含量的提高促进C向奥氏体中聚集不仅净化了铁素体基体促，而且使得亚稳奥氏体的淬透性得到提高，增强了亚稳奥氏体的稳定性，抑制贝氏体转变，拓宽了奥氏体亚稳区。

图6 Si对实验钢铁素体体积分数、晶粒尺寸和硬度的影响(a)对体积分数的影响; (b)对晶粒尺寸的影响;(c)对硬度的影响

如图6可知，随着冷速的增加，1号和2号实验钢铁素体晶粒尺寸逐渐减小，铁素体转变量逐渐降低，而铁素体的硬度逐渐升高。Si的添加可以促进铁素体转变，因此2号实验钢各冷速下铁素体的体积分数均高于1号实验钢，如图6(a)所示。Si的添加可以促进铁素体转变，即增加铁素体形核的数目，由于铁素体形核数增多，影响了铁素体形核后的继续长大，故当冷速低于约15℃/s时，含Si量较高的2号实验钢的铁素体晶粒尺寸小于1号实验钢。而当冷速高于约15℃/s时，铁素体形核和长大的时间受到限制，Si含量较高的2号实验钢中C向奥氏体区富集的速度大于1号实验钢，致使2号实验钢铁素体形核后有一定的时间长大，所以2号实验钢中铁素体的晶粒尺寸又大于1号实验钢，如图6(b)所示。从图6(c)中可以看出，Si含量较高的2号实验钢中铁素体的硬度明显高于1号实验钢，主要是因为在铁素体中，Si是一种固溶强化元素，其可使碳向奥氏体的偏聚得到加速，进而更加净化铁素体，免除间隙固溶强化并可避免冷却时粗大碳化物的生成。