碳含量对纳米贝氏体组织形成的影响

陈 鸣，李青春，刘 伟，常国威，陈淑英

碳含量对纳米贝氏体组织形成的影响

陈 鸣，李青春，刘 伟，常国威，陈淑英

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001）

纳米贝氏体钢作为最具有发展前景的超高强韧性钢，具有高强度、延展性和断裂韧性。通过SEM、XRD和拉伸试验等方法，研究了碳含量对纳米贝氏体钢组织与性能的影响。结果表明：随着碳含量的增加，试验钢中块状残余奥氏体的含量随之增高，薄膜状残余奥氏体厚度变薄。薄膜状残余奥氏体含量越多，抗拉强度、延伸率和强塑积越好。

碳含量；纳米贝氏体；残余奥氏体

纳米结构贝氏体钢是属于新一代先进的高强、高韧性钢，相比于传统结构钢，力学性能有所提高，具有强度、韧性和断裂韧性的最高结合[1-4]。纳米贝氏体钢优异的力学性能离不开组织中纳米贝氏体铁素体和薄膜状残余奥氏体（以下简称残奥）的作用。目前，国内外许多学者对钢中元素作用进行了研究。王克鲁等[5]研究B元素对贝氏体钢组织和性能的影响发现，加入B元素的贝氏体钢屈服强度、抗拉强度及延伸率都有明显的提高。桂晓露等[6]通过研究贝氏体钢中Cr元素含量对其转变规律的影响发现，Cr含量的提高影响了贝氏体转变温度区间，使组织中发现了“柳叶状”的下贝氏体组织。Garcia等[7]通过向高碳钢中添加Co和Al发现，合金的显微组织细化，贝氏体铁素体的体积分数增大，硬度提高。C含量对残余奥氏体的力学稳定性有重要影响，本文研究了不同C含量对纳米贝氏体钢组织与性能的影响，为下步工作提供理论支持。

1 实验材料与方法

采用中频真空感应炉熔炼成分为Fe-x C-0.45 Mn-2.5 Si-0.78 Al（质量分数，%）的试验钢，具体成分如表1所示。钢锭在1 200 ℃保温24 h进行成分均匀化退火。将试样加热到950 ℃保温20 min，迅速放入250 ℃盐浴炉内，保温10 h后，在空气中冷却至室温。热处理后的试样通过切割、打磨、抛光后，用4%的硝酸酒精腐蚀。利用Sigma500扫描电子显微镜进行组织观察，采用D/max-2500/PC XRD进行物相分析，使用CMT-5305型微机控制电子万能试验机进行拉伸试验。采用直线截点法测量残奥晶粒尺寸。

表1 3种实验钢化学成分及质量分数表 %

CCrMnSiAlMoCo 0.6400.452.50.7800 0.8100.452.50.7800 0.9300.452.50.7800

2 实验结果与分析

2.1 碳含量对纳米贝氏体组织的影响

图1为Fe-x C-0.45 Mn-2.5 Si-0.78 Al钢的热处理后扫描电镜组织。可以看出（a），（b），（c）热处理组织均为纳米贝氏体，即由黑色条状的贝氏体铁素体（BF）和亮白色残奥（RA）组成的混合组织，残奥的形貌有薄膜状和块状2种[8]。3种含碳量不同的实验钢中薄膜状残奥的占比分别20.16%、10.12%、21.00%。由图（a）可知（含碳量0.64%）薄膜状残奥（Film RA）的厚度主要在400 ～1 000 nm之间。碳含量为0.81%的试验钢中残奥层厚变细，厚度在200 ～600 nm范围。与图（a）和图（b）相比，碳含量为0.93%的试验钢中，贝氏体铁素体条变得更加细长，厚度基本在100～200 nm之间，同时块状残奥的含量增加，尺寸增大。分析认为：随着碳含量的增加，薄膜状残余奥氏体厚度逐渐变薄。在贝氏体转变孕育期，当钢中碳含量增加，在转变过程中碳更容易铁素体中扩散，铁素体之间的奥氏体中容易形成分布更为密集的富碳区，又因为钢中的Si、Al元素具有延缓渗碳体沉淀的作用，所以产生更细的贝氏体铁素体和薄膜状残奥。块状残奥的形成主要是因为碳含量的增加，又使碳在奥氏体中的扩散速度增大，奥氏体的长大速度增大。块状残奥的形成主要是因为碳含量的增加，C曲线左移，试样孕育期变短，碳的不均匀扩散使试样中出现富碳区，因此块状残奥数量变多。

2.2 碳含量对残奥数量的影响

图2为不同含碳量的试验钢经等温盐浴淬火后测得的XRD图谱。由图2所示，可以看出，不同碳含量的试验钢热处理后的组织均由体心立方相和面心立方相组成。经标定后峰值为（110）、（200）、（211）、（111）、（200）、（220）、（311），其中（110）为α峰的强峰；（111）为γ峰的强峰。计算出含碳量分别0.64%、0.81%、0.93%的实验钢中残奥的含量分别为30.25%、20.25%、31.51%。分析认为碳含量为0.64%时，试验钢中含有大量的厚片层残奥，导致残奥的含量较多。碳含量为0.93%时，尽管薄膜状残奥厚度较薄，但是碳含量的增加使块状残奥增多，导致残奥的含量总体上高于碳含量为0.64%的实验钢。只有含碳量为0.81%时，由于薄膜状残奥较细，块状残奥含量较少、尺寸较小，因此残奥的含量最低。

图2 不同碳含量纳米贝氏体钢的XRD图

2.3 碳含量对力学性能的影响

图3为不同碳含量试验钢的拉伸曲线图，具体性能见表2。图3中比较碳含量为0.64%，0.81%，0.93%试验钢的性能发现强度和延伸率与残余奥氏体含量和形貌有关。碳含量增加使得贝氏体铁素体中碳的过饱和度增大，固溶强化效果愈显著，从而导致强度增大。而塑性主要取决于薄膜状残余奥氏体，残余奥氏体会产生TRIP效应，并在拉伸过程中增加钢的强度和塑性[9]。碳含量增加使得残余奥氏体稳定性变大[10]。

图3 不同碳含量纳米贝氏体钢的拉伸曲线图

表2 不同碳含量纳米贝氏体钢的力学性能

含碳量/%残奥含量/%残奥中碳含量/%延伸率/%抗拉强度/MPa强塑积/MPa·% 0.6430.251.2110.00223022300 0.8120.251.818.80176015488 0.9331.511.4210.80223024084

由图4可以观察到大量不同尺寸的韧窝和撕裂边。这表明这些区域的材料经历了相当大的塑性变形。含碳量不同的纳米贝氏体钢的断口由解理面和一部分韧窝组成，对比图中（a）、（b）和（c）可知，断口中韧窝的含量与含碳量有直接的关联。碳含量为0.64%和0.93%的两种实验钢中的韧窝形貌和数量基本相同，含碳量为0.81%的实验钢中可以看见明显的解理断裂，这些结果与实验所获得的力学性能数据相契合。

图4 不同碳含量纳米贝氏体钢的拉伸断口

3 结论

研究了碳含量对残余奥氏体的影响，对通过相同热处理工艺的具有不同化学成分的钢进行了相同的实验测试。主要发现的结论如下：

(1)碳含量为0.64%的实验钢中组织厚度相对较大，不易形成纳米贝氏体。当含碳量为0.81%时，残余奥氏体的尺寸变小。碳含量达到0.93%时，块状残余奥氏体的数量远远大于含碳量为0.64%，0.81% 2种实验钢，由于碳含量增多，组织中更容易形成块状残奥。

(2)碳含量为0.64%的实验钢中薄膜状残奥和总体残奥分别为20.16%、30.25%；碳含量为0.81%的实验钢中为10.12%、20.25%；碳含量为0.93%的实验钢中为21.00%、31.51%。

(3)碳含量为0.64%、0.81%、0.93%的三种实验钢抗拉强度和延伸率分别为2 230 MPa、10%； 1 760 MPa、8.8%；2 230 MPa、10%。这是由于抗拉强度和延伸率与薄膜状残奥含量有关，含量增加，两种性能均提高。

[1] Garicia-Mateo C, Caballero F G, Bhadeshia H. Development of Hard Bainite[J]. Isij International, 2007, 43(8): 1238-1243.

[2] Caballero F G, Miller M K, Babu S S, et al. Atomic scale observations of bainite transformation in a high carbon high silicon steel[J]. Acta Mater, 2007, 55: 381-390.

[3] Caballero F G, Miller M K, Garcia–Mateo, C. Carbon supersaturation of ferrite in a nanocrystalline bainitic steel[J]. Acta Mater, 2010, 58: 2338-2343.

[4] Garcia-Mateo C, Caballero F G, Bhadeshia H K D H. Development of hard bainite[J]. ISIJ Int, 2003, 43: 1238-1243.

[5] 王克鲁, 鲁世强, 康永林, 等. 硼对高强度低碳贝氏体钢组织和性能的影响[J]. 金属热处理, 2009, 34(3): 6-9.

[6] 桂晓露, 刘蓉, 高古辉, 等. Cr元素对贝氏体钢连续转变规律的影响[J]. 材料热处理学报, 2016, 37(10): 154-158.

[7] Garcia-Mateo C, Caballero F G, Bhadeshia H K D H. Acceleration of low-temperature bainite[J]. Isij International, 2003, 43(11): 1821-1825.

[8] 刘伟. 超细贝氏体钢组织与性能的研究[D]. 锦州: 辽宁工业大学, 2016.

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[10] 陈晓男. 新型贝氏体辙叉心轨组织、性能研究[D]. 成都:西华大学, 2008.

Effect of Carbon Content on the Formation of Nano-Bainite Structure

CHEN Ming, LI Qing-chun, LIU Wei, CHANG Guo-wei, CHEN Shu-ying

（School of Materials Science and Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

Nano-bainite steel, as the most promising ultra-high strength and ductile steel, has high strength, ductility and fracture toughness. The effect of carbon content on microstructure and properties of nano-bainite steel was studied by SEM, XRD and tensile test. The results show that with the increase of carbon content, the content of massive residual austenite increases and the thickness of thin film residual austenite becomes thinner. The higher the content of residual austenite is, the better the tensile strength, elongation and strong plasticity become.

carbon content; Nano-bainite; retained austenite

10.15916/j.issn1674-3261.2022.03.005

TG142

A

1674-3261(2022)03-0160-04

2021-07-03

陈 鸣(1994-)，男，辽宁凌源人，硕士生。

李青春(1972-)，女，辽宁锦州人，教授，博士。

责任编辑：刘亚兵