鈮對高碳鋼等溫冷卻過程中相變和珠光體片層間距的影響

1、新型金屬材料課程設(shè)計說明書 題 目： 鈮對高碳鋼等溫冷卻過程中 相變和珠光體片層間距的影響 學(xué) 院： 理學(xué)院 專 業(yè)： 材料物理 學(xué) 號： 201207120039 學(xué)生姓名： 羅樹林 指導(dǎo)教師： 吳開明、張莉芹 日 期： 2015.6.3 鈮對高碳鋼等溫冷卻過程中相變和珠光體片層間距的影響羅樹林摘要：通過Gleeble1500型熱模擬試驗機和顯微鏡，研究了鈮對高碳鋼等溫冷卻過程中相變和珠光體片層間距的影響。結(jié)果表明：高碳鋼中加入0.03%的鈮后對TTT曲線的影響幾乎可以不計，對珠光體的相變溫度幾乎沒有影響；鈮對珠光體晶核的長大速度具有雙重影響，使得加入鈮后珠光體晶核的平均長大速度不變，轉(zhuǎn)變溫

2、度區(qū)間寬度變化不大；鈮能通過細化晶粒，阻礙碳的擴算來減小珠光體的片層間距。另外，通過與連續(xù)冷卻的實驗結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)用等溫處理所獲得的珠光體的片層間距更均勻。關(guān)鍵字：鈮；高碳鋼；等溫冷卻；珠光體片層間距Abstract: Effect of niobium on phase transformation and lamellar spacing of pearlites of high carbon steels during continuous cooling was studied Gleeble 1500 thermo-mechanical simulator and microscop

3、es. The results show that adding about 0.03wt% niobium to high carbon steels made almost no affect to TTT, and nearly gave pearlites transformation temperature nothing; Niobium element had a double effect on nucleation growth rate of pearlite, which made average nucleation growth rate of pearlite ke

4、pt constant and little changes of the interval width of transition temperature after adding niobium. Niobium could tessellate crystal grains and hinder carbons diffusing, which could reduce lamellar spacing of pearlites. On the other hand ,compared with CCT, we find that the interval width of pearli

5、te produced by TTT is more uniform.Key words: niobium; high carbon steels; continuous cooling; lamerllar spacing of pearlite引言：珠光體是過冷奧氏體在A1-550的共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，是鐵素體和滲碳體兩相組成的機械混合物。通常根據(jù)滲碳體的形態(tài)不同，把珠光體分為片狀珠光體、粒狀珠光體兩種。過冷奧氏體在 A1 550間將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型組織，根據(jù)片層厚薄不同，又細分為珠光體、索氏體和屈氏體。普通珠光體是指在光學(xué)顯微鏡下能清晰分辨出鐵素體和滲碳體層片狀組織形態(tài)的珠光體。它的片間距S0

6、約為450150nm，形成于A1650溫度范圍內(nèi)。索氏體是在650600范圍內(nèi)形成的珠光體，其片間距較小，約為15080nm, 只有在高倍的光學(xué)顯微鏡下才能分辯出鐵素體和滲碳體的片層形態(tài)。屈氏體是600550范圍內(nèi)形成的珠光體，其片間距極細，約為8030nm，在光學(xué)顯微鏡下根本無法分辨其層片狀態(tài)特征，只有在電子顯微鏡下才能分辯出鐵素體和滲碳體的片層形態(tài)。上述三種片狀珠光體的組織形態(tài)如圖1所示：(a) 普通珠光體 （c）屈氏體 （b）索氏體圖1 各種珠光體的形貌片狀珠光體中滲碳體呈片狀，它是由片層相間的鐵素體和滲碳體緊密堆疊而成。若干具有相同位向的鐵素體和滲碳體組成的一個晶體群，稱為珠光體團（也

7、叫珠光體群或珠光體晶粒）。在一個原奧氏體晶粒內(nèi)可以形成若干位向不同的珠光體團。珠光體組織的粗細程度（分散度或彌散度）是隨溫度而不同。這可以用珠光體的片間距（S0）來表示。片間距的定義是相鄰兩片滲碳體或鐵素體中心之間的距離。S0的大小主要取決于珠光體形成的過冷度，也就是說它與珠光體的形成溫度有關(guān)，可以用下面的經(jīng)驗公式表示：S0=C/T式中，C=8.02x104,A·K(1A=10-10m)；T為過冷度，K。過冷度越大，珠光體的形成溫度越低，片間距越小。實驗證明，奧氏體的晶粒度以及均勻化程度，基本上不影響珠光體的片間距。而且，熱處理工藝主要是影響奧氏體組織的晶粒度及均勻化程度，已經(jīng)有人研

8、究了鈮對高碳鋼連續(xù)冷卻過程中相變和珠光體片層間距的影響，為了進一步證明，及探討熱處理工藝是否會進一步地影響珠光體的片層間距，我們對比著做了鈮對高碳鋼等溫冷卻過程中相變和珠光體片層間距的影響，比較了兩組實驗的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)，兩者的結(jié)果極其相似，但，仍然有一些不同的地方。這進一步證明了，奧氏體的晶粒度以及均勻化程度，基本上不影響珠光體的片間距。另外，片狀珠光體的力學(xué)性能主要取決于片間距和珠光體團的直徑。珠光體的片間距和珠光體團直徑對強度和塑性的影響如圖2所示。由圖可看出，珠光體團的直徑和片間距越小，鋼的強度和硬度越高。圖2 珠光體團的直徑和片間距對斷裂強度和斷面收縮率的影響珠光體鋼可以用于珠光體鋼焊條

9、，高碳珠光體鋼是制造輪胎鋼絲及彈簧鋼絲，纖維鋼絲等的重要原料，用途廣泛，因此，此次的研究工作，對實際應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義。1. 試樣的制備與實驗1.1成分設(shè)計。根據(jù)此次實驗的研究目的，我們做了以下的成分設(shè)計：成分CSiMnNbCrVAlNiMo式樣10.780.801.550.020.050.030.0050.020.05式樣20.780.801.550.030.050.030.0050.020.05式樣30.780.801.550.040.050.030.0050.020.05設(shè)計的原則是，保持C，Si，Mn等元素的含量不變，讓鈮的含量呈一個梯度的變化。1.2試樣制備。根據(jù)設(shè)計的成分，我們制

10、作出了相應(yīng)的實驗用高碳鋼實驗材料。實驗材料為3個2kg的高碳鋼鋼錠，其中一個含鈮量為0.02%，一個含鈮量為0.03%，一個含鈮量為0.04%。將鋼錠鑄造成直徑為12mm的棒材，鍛后進行860正火。 把試樣加工成直徑為10mm，長為100mm的樣品，樣品首先在真空退火爐中1200 均勻化2天，爐冷至室溫。用線切割方法制取Ø8 mm×12 mm的標準試樣。試驗在Thermecmaster熱模擬機上進行，將熱電偶焊接在試樣上，置于真空室中，將試驗程序輸入計算機，由計算機控制液壓裝置移動和高頻發(fā)生器的功率輸出，對試驗過程的溫度、時間、冷卻速度精確控制。在實驗中，先以10 /s的升

11、溫速度，至奧氏體化溫度（1000 ），等溫停留5個小時，使奧氏體在該溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，然后再冷卻到室溫。其等溫冷卻曲線如圖3所示：溫度 / 保溫 （1000） 1000 加熱 時間 圖3 試樣冷卻方式 將試樣打磨，拋光，腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡（OM）下觀察組織，在掃描電鏡（SEM）下測珠光體的片層間距。金相組織觀察如圖4所示： 圖4 金相組織觀察2. 試驗結(jié)果與討論2.1鈮對試驗鋼TTT曲線的影響用jmatpro軟件模擬得到的TTT曲線如下圖5所示：試樣1 試樣2 試樣3 圖5試樣的TTT曲線 由圖可以看出，微量鈮元素的加入對高碳鋼的TTT曲線幾乎沒有影響。原因分析：從楊超飛，吳慶輝等人的論文

12、鈮對高碳鋼連續(xù)冷卻過程中相變和珠光體片層間距的影響得知，高碳鋼中加入0.04%的鈮后能使CCT曲線明顯向右下方移動，降低了珠光體的相變溫度。然而，此次試驗卻證明，0.03%左右的鈮元素的加入對高碳鋼的TTT曲線幾乎煤油影響。原因是，奧氏體化溫度越高，保溫時間越長，則形成的奧氏體晶粒越粗大，成分也越均勻，極大地提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。在這里，我們用我們用奧氏體穩(wěn)定性飽和度來描述奧氏體的穩(wěn)定程度，相同條件下，奧氏體穩(wěn)定性飽和值越大，奧氏體越穩(wěn)定。本次試驗的奧氏體化溫度較高（1000），保溫的時間也較長（5小時），所得到的過冷奧氏體的穩(wěn)定性飽和度已經(jīng)達到了最大，所以，加入更多的強碳化

13、物形成元素鈮時，C曲線也無法繼續(xù)右移。因此，從表面上來看，我們可以認為，鈮元素的高碳鋼的TTT曲線幾乎沒有影響。2.3鈮對珠光體片層間距的影響 如下圖6所示，為在掃描電鏡（SEM）下觀察到的珠光體的片層結(jié)構(gòu) 試樣1 試樣2試樣3圖6 掃描電鏡下的片狀珠光體組織由圖6可以直觀的看出，隨著鈮含量的增加，珠光體的片層間距逐漸減小，當鈮的含量達到0.04%時，珠光體的片層間距達到最小。原因分析：鈮是強碳化物形成元素，在高碳鋼中的溶解度很低，在冷卻過程中，可在高溫奧氏體溫區(qū)中以Nb(C,N)形式析出，阻礙碳的長程擴散，并降低珠 光體的相變溫度，起到細化珠光體片層間距的作用； 同時在奧氏體珠光體相變過程中

14、由于鈮的拖拽作 用也抑制了碳的擴散距離，進一步減小了珠光體的片層間距，因此鈮的加入有利于珠光體片層間距的減小。2.4熱處理工藝對珠光體片間距的影響： 如圖7所示，為楊超飛，吳慶輝等人的論文鈮對高碳鋼連續(xù)冷卻過程中相變和珠光體片層間距的影響里的片狀珠光體組織的電鏡照片： (a)含鈮0.02% (b)含鈮0.03% (c)含鈮0.04%圖7 楊等的珠光體組織片層間距電鏡照片與圖6對比，能很直觀地得出，相同條件下，等溫處理得到的珠光體片間距更均勻。 原因分析：剛在連續(xù)冷卻過程中形成時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的片間距大小不等，高溫形成的珠光體片間距大，低溫形成的珠光體片間距較小，使得珠光體的片間距不均勻。這種片間距不等的珠光體在外力作用下，將引起不均勻的塑性變形，并導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致鋼的強度和塑性都降低。