38MnVTi非调质钢的TTT曲线的测定与分析

陈浩东,谢 丁,陈元芳

(1.重庆理工大学 材料科学与工程学院, 重庆 400054;2.重庆市模具技术重点实验室, 重庆 400054)

0 引言

热力学上达到平衡状态可通过铁碳相图反映出来[1]。但是铁碳相图所描述的仅仅是钢在热平衡状态下铁碳含量与温度区间的关系,缺少其他具体的如时间等影响因素。把时间因素引入到对钢组织转变的影响,钢的奥氏体转变动力学曲线由此开始并逐步发展成熟[2]。等温转变曲线(time temperature transformation,简称TTT曲线),因其曲线形状也可将TTT曲线称为S曲线或C曲线[3]。TTT曲线是描述钢奥氏体化后在不同等温温度下的转变过程,即TTT曲线是描绘钢的过冷奥氏体转变开始的时间和转变结束的时间[4-5]。TTT曲线的作用一般是用在钢的退火工艺的确定环节,而且TTT曲线也广泛运用在CAE计算机模拟热处理相变中[6-7]。TTT曲线一般采用等温转变的测定方法,等温转变测定常用的方法有金相法、硬度法、磁性法、电阻法和膨胀法[8]。

金相法是运用金相显微镜拍下多组均匀时间段内各个材料变形后的金相照片,再通过金相观察统计,从而确定相变组织[9]。金相法一般需用多组样品数据,通常需要200个或200个以上的试验样品。样品使用车床将样品制成厚度2 mm左右的饼形薄片,直径为(12±2) mm,然后在饼形薄片上的圆面钻小孔,以便悬挂试样。虽然金相法原理简单明了,试验所需设备简单,但其需要大量的试验样品,工作量较大,因此带来的试验操作更加繁琐复杂。

硬度法原理与金相法相似,两者差别在于:金相法是通过观察金相组织,硬度法是测量组织硬度值。材料等温转变的不同组织间硬度有较大的差异,因此测量材料等温转变后组织的硬度也可获得TTT曲线。硬度法不仅工作量大,而且其对少量组织转变敏感度低。当各组织混合起来时,硬度值主要受到含量较高的组织影响,含量低的组织硬度值易被大占比组织所平均,因此对含量占比小的组织不敏感[10]。通常硬度法会与金相法一起使用,以达到互补作用。

磁性法的原理是:材料过冷奥氏体发生等温转变时磁性也会伴随发生转变,通过测量发生磁性转变时间以确定转变的开始和结束时间,进而测绘出TTT曲线。磁性法一般采用热磁仪进行测量,所需试样数量小于硬度法和金相法,但是磁性法检测不出铁素体和珠光体,导致TTT曲线不完整。

电阻法原理与磁性法类似,在过冷奥氏体转变为其他组织时,材料的电阻值相应地发生变化,通过测量电阻的变化来确定转变开始和结束的时间。但电阻法不能检测出马氏体铁素体的转变,该方法在以往试验中运用得较少。

膨胀法的原理是:金属材料随着温度的变化都会发生体积的变化也就是热胀冷缩现象,通常材料体积变化与温度变化呈线性变化,材料在热变形时原有组织会发生相变,而相变产生的新组织和原组织膨胀系数存在差异,导致材料随着温度变化所产生的体积变化不一定呈线性关系。热膨胀法就是检测材料相变发生后体积膨胀曲线的变化。将试样放入热浴炉中加热到材料奥氏体化温度以上,然后保温一段时间使材料能够完全奥氏体化。待试样完全奥氏体化后,取出试样后将其快速地移入到另一设定了等温温度的热浴炉中,并让试样快速地冷却到设定的温度,在等温保温过程时记录材料的等温膨胀曲线以便计算绘制出TTT曲线[11]。膨胀法本质上是利用材料相变时必然伴随比容变化,通过测定比容的变化来测定膨胀曲线[12]。

综上所述本文采用Gleeble-1 500D热模拟试验机运用膨胀法获得38MnVTi的不同等温温度的膨胀曲线。结合计算和运用Origin软件绘制了可用于计算机模拟的38MnVTi非调质钢的等温转变曲线(TTT曲线)。

1 测定TTT图线

1.1 试验材料

试验对象是牌号为38MnVTi的棒材,该牌号的材料是某钢厂所生产的热轧态非调质钢,把38MnVTi非调质钢棒材车削加工成直径为6 mm,长度为70 mm的圆柱形试样,这样的形状能够保证试验数据的精度更高。在试样中段进行划线标记,表1为非调质钢38MnVTi的材料组成元素及其质量分数表。

表1 38MnVTi钢的化学成分 (质量分数/%)

1.2 试验方法

试验所使用的Gleeble-1 500D热模拟试验机是由美国DSI(dynamic systems inc.)研制的一种热成形模拟的装置。其试验原理是:将试样放入到热浴炉中加热到试样奥氏体化温度以上,然后保温一段时间使材料能够完全奥氏体化。待试样完全奥氏体化后,取出试样后将其快速地移入到另一设定了等温温度的热浴炉中,并让试样快速冷却到设定的温度,通过试验机记录试验等温温度下保温过程中其等温膨胀曲线。

38MnVTi非调质钢的过冷奥氏体等温冷却试验方案及不同等温温度数值如图1所示。通过Gleeble-1 500D热模拟试验机将38MnVTi非调质钢的试样以10 ℃/s加热到900 ℃,待温度达到900 ℃后需保温10 min,这样38MnVTi非调质钢试样能够得到充分的奥氏体化。之后以每秒50 ℃的冷却速度梯度冷却试样到预先设置的各个等温温度,保温至材料的体积膨胀曲线趋于平稳,待曲线平稳后将试样空冷到室温。通过Gleeble-1 500D热模拟试验机膨胀仪获得38MnVTi非调质钢的膨胀曲线后,测定38MnVTi非调质钢的等温转变曲线(TTT曲线)的方法是:采用切线法分析材料的体积膨胀曲线,分别得出不同组织开始相变时间以及相变终止的时间。最后将各个等温温度得到的试验数据汇总于表格中,使用Origin软件将表格数据、材料的临界点数据一起绘制在温度-时间半对数坐标图中。

图1 38MnVTi钢过冷奥氏体等温冷却试验方案

38MnVTi非调质钢析出组织临界点:材料在奥氏体化后不同组织的析出温度和终止温度。临界点温度主要有渗碳体析出温度Ac1、铁素体的析出温度Ac3、马氏体析出温度Ms和马氏体终止转变温度Mf。得到渗碳体的析出温度Ac1以及铁素体的析出温度Ac3的方式是:运用Gleeble-1 500D热模拟试验机,以每秒10 ℃的加热速度将试样加热到能使材料奥氏体化温度(900 ℃),温度达到900 ℃后为使材料能充分奥氏体化,对其保温10 min。保温时间结束后再以每秒0.05 ℃的冷却速度缓慢冷却,同时记录其体积膨胀曲线,最后使用切线法,测出渗碳体析出温度Ac1以及铁素体析出温度Ac3,测得的体积膨胀曲线如图2所示。此外马氏体析出和终止温度Ms、Mf的测定方法与上述方法类似,同样是将38MnVTi钢以每秒10 ℃的加热速度加热到900 ℃,试验温度到达900 ℃后保温10 min,不同的是保温结束后试样以每秒50 ℃的冷却速度快速冷却并记录其体积膨胀曲线,同样对膨胀曲线采用切线法获得马氏体析出和终止温度,得到的非调质钢38MnVTi马氏体析出和终止温度Ms、Mf的体积膨胀曲线如图3所示。

图2 非调质钢38MnVTi的临界点Ac3和Ac1曲线

图3 非调质钢38MnVTi的临界点Ms和Mf曲线

将获得的非调质钢38MnVTi各临界点温度汇总,其结果如表2所示。

表2 非调质钢38MnVTi的临界点

2 试验结果与分析

2.1 不同等温温度的膨胀曲线

等温转变曲线需要多组不同等温温度的膨胀曲线数据。等温转变的膨胀曲线一般包括等温开始时膨胀量稳定的相变孕育期曲线,冷却过程中的膨胀量的收缩曲线,以及相变开始后的膨胀量的增大曲线部分。设置等温温度:750～480 ℃内每30 ℃温度跨度共9个等温温度做一次试验,此外430、360 ℃再做一次试验。待膨胀曲线趋于稳定后将试样进行空冷冷却至室温。试验不同等温温度对应的膨胀曲线如图4所示。

图4 非调质钢38MnVTi不同等温温度的膨胀曲线

从图4(a)等温温度为750 ℃膨胀曲线可以观察到,当38MnVTi非调质钢在转变开始后的20 s时孕育期结束(20 s之前曲线近似直线),20 s后体积膨胀曲线出现上升(先共析铁素体相变开始),膨胀曲线在20 s时出现上升是因为析出的铁素体的膨胀系数比奥氏体的膨胀系数要大,产生的铁素体同等质量下体积比奥氏体大。此后体积膨胀曲线在转变开始33 s时再次出现了上升现象,这是珠光体转变的开始时间,曲线上升的原因是珠光体热膨胀系数大于铁素体的热膨胀系数,同理材料再次发生明显膨胀。当等温转变进行到1 709 s之后体积膨胀曲线趋于平稳,由此判断等温转变结束于1 709 s。同样地分析等温温度为720 ℃时的膨胀曲线,由图4(b)可以观测到,孕育期是膨胀量稳定的前14 s,14 s后体积膨胀曲线首次出现上升体积变化率减小,这是因为先共析铁素体在14 s时开始析出。体积膨胀在29 s后又再次出现了上升现象,同理是由珠光体转变开始所造成的。此后体积膨胀曲线趋于平稳在1 608 s后,可判断等温转变结束。除750 ℃及720 ℃以外,之后的等温转变没有再出现先共析铁素体,取而代之珠光体转变或贝氏体转变。38MnVTi非调质钢在600～690 ℃温度区间内发生珠光体转变,在430～570 ℃温度区间内发生贝氏体转变。

2.2 贝氏体转变量的测定

钢的贝氏体转变具有自我限制的性质。在贝氏体转变过程中,贝氏体转变不会一直进行下去,而是达到某一特定量后停止转变,即使材料的温度还处于贝氏体转变温度区间内。这种贝氏体转变停止的现象称为贝氏体转变的自制性。等温温度下的最大贝氏体转变量可以通过膨胀系数法获得。具体是:通过Gleeble-1 500D热模拟试验机将试样加热到材料奥氏体化温度900 ℃,为使材料能完全奥氏体化,加热到900 ℃后需要保温一段时间,保温时间在6～10 min,保温结束后以每秒50 ℃的冷却速度快速地将试样冷却至室温。与此同时记录其体积膨胀曲线,采集到的膨胀曲线数据绘制后如图5所示。通过切线法测量马氏体膨胀曲线对应的马氏体转变处曲线的斜率,从而测出材料马氏体的膨胀系数,测量奥氏体转变后的曲线斜率得到奥氏体的膨胀系数,分别得到αγ=2.364 25×10-5,αΝ=1.282 37×10-5。再通过如图6所示的双膨胀曲线,用同样的方法可以测得贝氏体和马氏体相变结束时的体积膨胀系数以及贝氏体和马氏体在材料中含量所占的百分比[13-14]。使用切线法测得参数分别为贝氏体与奥氏体的混合组织膨胀系数αΒ+γ=1.064 18×10-5,贝氏体与马氏体的混合膨胀系数αΒ+Ν=1.412 24×10-5,贝氏体体积分数χB=0.66,马氏体体积分数χM=0.34。通过计算得到贝氏体的膨胀系数αΒ:贝氏体和马氏体的混合组织的膨胀系数αΒ+Ν=αΒχB+αΝχM,可求得贝氏体的膨胀系数αΒ=1.479 14×10-5。

图5 奥氏体转变为马氏体的线膨胀曲线

图6 奥氏体转变为贝氏体和马氏体的膨胀曲线

通过上述方法获得贝氏体线膨胀系数αΒ后,再依据式(1)可以求得贝氏体的最大转变量。依据公式可分别求得贝氏体在540、510、480、430 ℃等温温度下的最大转变量。

(1)

当38MnVTi非调质钢小试样分别冷却到等温温度540、510、480、430 ℃时,由该等温温度所得到的温度-膨胀量曲线如图7所示。通过式(1)计算出540、510、480、430 ℃等温温度下对应的贝氏体最大转变量。各个温度对应的贝氏体的最大转变量如表3所示。

表3 贝氏体的最大转变量

图7 等温温度540、510、480、430 ℃的膨胀曲线

3 分析与讨论

等温试验获得的38MnVTi非调质钢各个等温温度下的相变孕育期、组织转变开始时间、转变停止时间见表4。

表4 非调质钢38MnVTi等温转变时间

将表4中的数据用Origin软件绘制在温度-时间对数的坐标图上,得到如图8所示的38MnVTi非调质钢的TTT曲线图。图8中的2个黑圆框表示先共析铁素体开始转变点,方框表示等温相变开始时间的转变点,三角表示相变结束时间的转变点,再将各个临界点Ac1、Ac3、Ms、Mf以虚线标记于图中。之后用平滑的曲线分别将方框和三角散点连接起来得到等温转变曲线,即TTT曲线。

图8 非调质钢38MnVTi的TTT曲线

从TTT曲线图中可以了解到,38MnVTi非调质钢的相变主要发生在360～750 ℃,700～750 ℃存在过冷奥氏体转变为铁素体区;600～700 ℃存在过冷奥氏体转变为珠光体区;360～600 ℃存在过冷奥氏体转变为贝氏体区[15]。TTT曲线整体上呈双“C”型,2个双C曲线将材料的转变物以等温温度和等温时间具体标明出来。体积温度变化的孕育期在各个温度区间内都存在,TTT曲线在360～750 ℃的温度区间内转变开始和转变结束时间均呈现先减小后增大的趋势,孕育期也不例外。

观察38MnVTi非调质钢TTT曲线可知,当等温转变温度为510 ℃时相变最先开始,孕育期最短,表示材料完全奥氏体化后在此等温温度下最易发生相变,因此该等温温度被形象地称为TTT曲线的“鼻尖”温度。当等温温度大于510 ℃,由于材料原子在更高的温度下能量越大,原子以振动加快的形式来储存这部分增加的热能,随着温度的增大材料的扩散系数也随之增大,相变驱动力减小,自由能差增大,而材料组织在转变过程中的转变速度主要受到自由能差的影响,所以温度达到510 ℃以上后,温度越高相变开始前的孕育期越长。缩短孕育期还可以通过增大材料过冷度的方式。当等温温度在360 ℃以上、510 ℃以下时,随着温度的降低材料过冷度增大,材料原子振动频率和幅度随着温度的降低而减小,使得原子活性降低,材料在转变过程中扩散能力下降也就是材料扩散系数减小,相变的驱动力增大,形核率增加。因原子扩散系数随着温度的降低而慢慢降低,使过冷奥氏体转变的速率变缓,相应的孕育期所需时间随之增加[16]。

4 结论

1) 测定出38MnVTi非调质钢铁素体析出温度为840 ℃、渗碳体析出温度为750 ℃、马氏体析出温度为360 ℃、马氏体转变终止温度为212 ℃。

2) 通过膨胀法获得了非调质钢38MnVTi在不同等温温度下等温转变的膨胀曲线。计算出在540、510、480、430 ℃等温冷却条件下贝氏体的最大转变量分别为16.9%、26.8%、38.5%、55.3%。

3) 运用Origin软件,拟合得到了非调质钢38MnVTi等温冷却转变曲线(TTT曲线)。