貝氏體鋼的沖擊韌性的影響因素

1、影響中碳 Mn 系鑄態(tài)馬氏體 /貝氏體復相鋼沖擊值的因素馬瑜 1，溫浩宇 1，王洪飛 1，唐正華 1（1.四川大學材料科學與工程學院，四川成都： 610065）摘要 :本文對一種使用在混凝土泵車輸送管道上的中碳 Mn 系鑄態(tài)新型馬氏體 /貝氏體復相鋼的沖擊韌性及其影響因素進行了研究。通過金相顯微鏡和掃描電鏡分析了這種鋼的微觀組織、斷口形貌、夾雜物、縮孔縮松對無缺口沖擊值的影響。 結(jié)果表明， 鑄件凝固時形成枝晶的主軸與沖擊方向的夾角與沖擊值有很大的關系。 枝晶凝固時的收縮導致在其周圍形成的大量縮孔縮松以及馬氏體和貝氏體組織的尺寸是造成沖擊值較低的主要原因。關鍵詞 ：沖擊值、枝晶、顯微組織、夾雜物

2、、縮孔縮松Factors Affecting Impact Value of Bainite MartensiteDuplex Cast Steel of Medium Carbon with ManganeseAlloying ElementMA Yu 1, WEN Hao-yu 1, WANG Hongfei 1,TANG Zheng-hua 1*(1.College of Material Science and Engineering; Sichuan University, Chengdu 610065, China)Abstract: This study is about som

3、e technical factors affecting the impact value of bainite martensite duplex cast steel for medium carbon with manganese for use in the pipe of the concrete of pump truck. The non-notch impact value of the cast steel and its effect was studied through optical microscope(OM) and scanning electron micr

4、oscopy(SEM). The micro morphology on the fracture surface, non-metallic inclusions , shrinkage cavity and porosity were observed. The results show that the angle between dendrite axis direction and impact test direction affects the impact value. A lot of shrinkage cavity and porosity were resulted b

5、y the shrinking of cast during solidification. The lower impact energy is mostly caused by a lot of shrinkage cavity and porosity and the size of the microstructure.Key words: impact value; dendrite; microstructure; inclusions; shrinkage cavity and porosity結(jié)構(gòu)鋼在許多的應用領域都需要高的強度和韌性， 使其具有高的成形性和高的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)。從

6、基本的觀點看，還有許多突出的因素對沖擊韌性的影響尚未得到一個明確的解釋，比如應力狀態(tài)，形變誘發(fā)馬氏體相變，還有多相微觀結(jié)構(gòu)引起的破壞機制1 。研究表明，上貝氏體馬氏體混合組織惡化鋼性能，但下貝氏體馬氏體組織能夠改善鋼的強韌性，原因在于先析出的少量片狀下貝氏體可以分割原奧氏體晶粒，使得隨后轉(zhuǎn)變的馬氏體板條束尺寸較小，在斷裂過程中當裂紋遇到下貝氏體馬氏體界面及馬氏體板條束界時，裂紋曲折轉(zhuǎn)向，吸收更多的能量， 提高了鋼的韌性， 降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度， 顯示出比回火馬氏體更高的強韌性。作者簡介：馬瑜(1986 ) ，男，籍貫甘肅省天水市，四川大學材料科學與與工程學院碩士研究生, 主要研究方向：金屬材料結(jié)構(gòu)

7、與性能研究Mn系貝氏體/馬氏體復相鋼具有成本低廉、工藝簡便和性能優(yōu)越等優(yōu)點，近年來得到了很好的推廣，在建筑、鐵路、汽車、采礦、石油等多個領域得到了廣泛應用2 ，同時，Mn系貝氏體 /馬氏體復相鋼的沖擊韌性與高錳鋼的差距制約著它的應用領域，本研究的目的在于尋找貝氏體 /馬氏體復相鋼沖擊韌性的影響因素，為進一步改善其沖擊韌性提供依據(jù)。1 實驗材料與方法試驗材料為某鋼鐵公司提供的中碳數(shù), %) 如表 1 所示。Mn系馬氏體/ 貝氏體復相鋼,其典型化學成分(質(zhì)量分表1試驗鋼的化學成分Table 1Chemical compositions of experimental steel %樣品編號CSiM

8、nCrPS第 1 組0.520.672.21.2 0.040.04第 2 組0.540.712.41.4 0.050.03對相同成分不同爐次的中碳Mn 系馬氏體 /貝氏體復相鋼樣品在JB-300 型沖擊試驗機上進行沖擊試驗。 無缺口沖擊試樣尺寸為10× 10×55mm，進行多組重復實驗驗后發(fā)現(xiàn)沖擊值主要分布在1080J 之間，我們將沖擊值低的和沖擊值高的樣品分為兩組進行對比，來研究微觀組織、斷口形貌、夾雜物、縮孔縮松對無缺口沖擊值的影響。采用HR-150A 洛氏硬度計進行硬度測試，用掃描電鏡觀察沖擊試樣的斷口形貌，然后將試樣表面磨平并拋光,沿中央縱截面剖開 ,經(jīng)打磨拋光后

9、,采用掃描電鏡觀察沖擊試樣的顯微組織、鑄造缺陷，并采用蔡康 4XCE 型光學顯微鏡觀察顯微組織和第二相顆粒。2 試驗結(jié)果及討論2.1 沖擊試驗結(jié)果與硬度分布表 2實驗鋼的硬度值和沖擊值Table2 hardness and impact energy of experimental steel試樣編號硬度值 /HRCA k/ J第 1 組1-151761-25067第 2 組2-152182-25212表 2 列出了實驗鋼的沖擊值及硬度值的測試結(jié)果?？梢钥闯?,試驗鋼的沖擊值很不穩(wěn)定沖擊功主要分布在兩個區(qū)間，第一組為 6080J,第二組為 1020J ，鑄造條件、熱處理工藝與化學成分相同的兩組

10、試樣沖擊值都不高 ,而且還存在一定的差距，但是試樣的硬度比較接,近。即使是同一爐不同部位的取樣沖擊值也會存在一定的差別。2.2 試驗鋼的顯微組織形貌(a) 第 1 組樣品的掃描電鏡顯微組織(b) 第 1 組樣品的掃描電鏡顯微組織(c) 第 2 組樣品的掃描電鏡顯微組織(d) 第 2 組樣品的掃描電鏡顯微組織（ e）第1 組樣品的金相顯微組織圖 1 鑄件的顯微組織形貌（f ）第 2 組樣品的金相顯微組織2%硝酸酒精腐蝕）Fig. 1micrographs of microstructure of casting實驗鋼的組織都為貝氏體 /馬氏體復相組織，如圖（ 1）中（ e）和（ f ）圖所示的金

11、相顯微組織， 黑色針片狀組織為下貝氏體， 白色亮基體為馬氏體， 兩圖中所示組織的分布形態(tài)和尺寸相近。由掃描電鏡分析圖可以看出，顯微組織都呈帶狀， （ a）和（ b）兩圖對應的是第一組試樣的顯微組織，帶狀組織的寬度在 13 m 之間，（ c）和（ d）兩圖對應的是第二組試樣的顯微組織，帶狀組織的寬度在 510 m 之間?？梢姡诙M試樣顯微組織的平均寬度是第一組試樣顯微組織平均寬度的 34 倍。顯微帶狀組織的形成是由于枝狀組織在凝固過程中置換合金元素的偏析造成的。有研究表明， Mn 是低合金鋼的合金元素中最主要的顯微 3的冷卻速率并且降低帶狀組織的強度。因為Mn 的存在，使得不同的偏析帶狀組織的

12、Ar3溫度都有所降低 4 。有資料顯示，顯微組織的板條束和板條塊尺寸越小，組織的韌性越好，而板條尺寸基本沒有發(fā)生變化，故認為板條束和板條塊尺寸變化對韌性起著決定性作用。原因是板條束和板條塊界是大角度晶界，與韌性有著直接的聯(lián)系。 板條束和板條塊尺寸與大角度晶界長度存在著必然的聯(lián)系，即單位面積區(qū)域板條束和板條塊尺寸越小，其晶界長度越長。沖擊功與板條塊的斜率比沖擊功與板條束的斜率要大很多，表明板條塊寬度對沖擊功的影響作用比板條束對沖擊功的影響作用大得多。由于板條束和板條塊尺寸都對韌性有著決定性的影響， 是有效的晶粒尺寸， 且板條塊為更小的亞結(jié)構(gòu)，因此板條塊尺寸可作為對韌性起決定作用的“有效晶粒尺寸”

13、5 。由此可見，顯微組織的結(jié)構(gòu)單元及亞結(jié)構(gòu)單元的尺寸對沖擊韌性有一定的影響。 其中第一組試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)單元及亞結(jié)構(gòu)單元的尺寸較小，應具有較高的韌性，這與測試結(jié)果相符。2. 3 試驗鋼的斷口形貌(a)第 1 組樣品的斷口形貌(b) 第 1 組樣品的斷口形貌(c) 第 2 組樣品的斷口形貌(d) 第 2 組樣品的斷口形貌圖 2 鑄件斷口的微觀形貌Fig. 2 Microscopic fracture micrographs of casting由圖 2 可以看出， 在沖擊試樣的斷面上均出現(xiàn)了粗大的枝晶組織，一定數(shù)量的夾雜物和孔洞。 這說明在鑄造過程中的枝晶偏析比較嚴重，沒有很好的消除枝晶偏析。

14、 出現(xiàn)的枝晶偏析是由非平衡凝固造成的，固的枝干間的成分不均勻。并且在枝晶周圍存在在隨后的退火過程中使先凝固的枝干和后凝(a)(b) （ a）圖的局部放大圖 3 第二組鑄件樣品的微觀斷口的枝晶形貌Fig.3 morphology of dendrite in microscopic fracture micrographs of Casting圖 3 為枝晶的顯微形貌， 合金通常以樹枝狀生長， 一棵樹枝晶就形成一顆晶粒，因此枝晶偏析在一個晶粒范圍內(nèi)，故也稱為晶內(nèi)偏析。樣品枝晶偏析程度很大，可能是因為成分過冷導致液固界面前沿過冷度大，使固相快速生長， 造成鑄件的凝固速度較快， 使先結(jié)晶成分來不及充

15、分擴散， 先結(jié)晶的主干與后結(jié)晶的支干及支干間的成分產(chǎn)生差異形成枝晶偏析；或者是由于加入的某些合金元素使鑄件的凝固溫度范圍變寬造成的。圖 3 中枝晶周圍的縮孔和縮松是枝晶組織凝固的必然結(jié)果：在樹枝晶生長過程中，各枝晶間互相穿插有可能使其中的液體被封閉。當凝固收縮得不到液體補充時，便形成細小的分散縮松6。周繼揚在研究球墨鑄鐵中奧氏體枝晶排列方向與機械性能之間的關系時發(fā)現(xiàn), 當垂直于枝晶一次軸方向的沖擊韌性比平行方向的高43%，在沖擊載荷作用下, 由于變形速度高 , 塑性變形首先發(fā)生在塑性差的區(qū)域并迅速撕裂, 變形過程受到抑制,所以 , 對于球鐵 , 裂紋源和裂紋的擴展容易發(fā)生在偏析元素多、 碳化物

16、含量大、 顯微疏松嚴重的枝晶間。這時 , 球墨的影響將不起主導作用，因而 ,當沖擊載荷與枝晶方向平行時, 裂紋便沿枝晶間較脆弱的面快速擴展, 形成脆性斷裂，故沖擊韌性會顯著低于沖擊力與枝晶垂直時的數(shù)值7 。如果從斷裂力學的角度來分析, 我們觀察到的結(jié)果與該文的實際情況在理論上是完全吻合的。圖2 中（ a）和（ b）兩圖所示枝晶的主軸與沖擊方向垂直，由于枝晶主軸對于沖擊過程的抗力以及縮孔、縮松或夾雜聚集區(qū)域的截面不存在應力集中,因此 , 這些顯微鑄造缺陷反而使裂紋的擴張得到緩解和終止。圖2中（ c）（ d）兩圖所示枝晶的主軸所在的面與沖擊方向平行。由于平行的枝晶主 軸間在凝固收縮沒有充足 的液體

17、補縮，存在許多縮孔、縮松及夾雜, 當承受平行于枝晶主軸所在平面的沖擊力時 , 縮孔、縮松或夾雜聚集的區(qū)域成了裂紋源, 在枝晶與枝晶的交界處產(chǎn)生最大的應力集中 , 從而成為了裂紋源。另外，通過比較圖2 中（ a）（ b）與（ c）（ d）發(fā)現(xiàn)，后者的顯微孔洞比前者大，這也是造成沖擊值低的原因之一。由此我們可想到, 假如能最大限度地減少顯微鑄造缺陷 , 或能人為地控制顯微鑄造缺陷領域中奧氏體枝晶的位向, 那對于進一步發(fā)揮材料中金屬基體的性能潛力, 提高鑄件的強韌性, 將是很有意義的 8 。2.4 縮孔縮松及夾雜物對沖擊韌性的影響（ a）第 1 組樣品的微觀孔洞形貌(b) 第 1 組樣品的微觀孔洞形

18、貌(c) 第 2 組樣品的微觀孔洞形貌(d) 第 2 組樣品的微觀孔洞形貌圖 4 鑄件中縮孔縮松的微觀形貌（未腐蝕）Fig.4 morphology of shrinkage cavity and porosity in the casting圖 4 中（ a）和（ b）所示的第 1 組試樣的孔洞的孔徑一般在2050 m，在單位面積內(nèi)數(shù)量較少，而小尺寸的縮孔縮松很少，也沒有觀察到聚集的區(qū)域。而圖（c）和（ d）所示的第 2 組試樣上的孔洞尺寸一般在110 m 之間，而且在單位面積內(nèi)數(shù)量較多，孔洞之間的平均間距約為 150m，僅有少量的孔洞尺寸在1020m。第2 組試樣上還存在大量的縮松，并且存

19、在縮松聚集的區(qū)域，其縮松間平均間距約為 20m。王吉滿等人對含硼低碳貝氏體鋼的研究表明 ,沖擊值與夾雜物的最大尺寸和平均尺寸關系較小,而與夾雜物的數(shù)量有較明確的對應關系。當夾雜物的數(shù)量相對較少,每平方毫米的個數(shù)少于175 個時 ,試驗鋼的沖擊值較高 ,大多都在 150 J以上 ;而當單位面積內(nèi)個數(shù)達到300 個時 ,沖擊功都小于 100 J ,總體而言隨著夾雜物數(shù)量的增加,沖擊功明顯降低 9 。對于較大的顆粒狀夾雜物, 裂紋由該夾雜物處萌生并向兩端擴展。由此表明 , 夾雜物處的應力集中是產(chǎn)生裂紋的根源。材料中晶界上的夾雜物，尤其是晶界上的網(wǎng)狀夾雜物會割裂基體，使材料脆而易裂。 在沖擊載荷的作用

20、下于夾雜物處產(chǎn)生局部應力集中，并萌生裂紋 ，裂紋優(yōu)先在晶界的夾雜物處擴展，從而降低了材料的力學性能 10 。夾雜物與縮孔、 縮松一樣， 都是潛在的裂紋源。 圖 4 中所示的縮孔縮松大部分都是由于枝晶在凝固過程中收縮時不能及時得到液體補充形成的，由于枝晶偏析比較嚴重，很多的縮孔和縮松都呈網(wǎng)狀分布，所以在縮孔縮松的邊緣有細小的枝晶狀分叉, 在載荷的作用下裂紋很容易在網(wǎng)狀縮松的樹枝晶處萌生?？s孔和縮松的存在將減小鑄件的有效承載面積10甚至造成應力集中而降低鑄件的力學性能。這與圖中所得結(jié)果相吻合，第 2 組試樣單位面,積縮孔縮松較多，對應的沖擊值只有 1020J，第 1 組試樣單位面積縮孔縮松較少，對

21、應的沖擊值為 6080J。當樣品受到?jīng)_擊力時，在縮孔縮松的末端會產(chǎn)生應力集中，縮孔縮松的位置都可能成為裂紋源， 由應力造成的裂紋會沿著縮孔縮松所在的平面擴展， 并且間距較小的縮孔縮松將會成為裂紋擴展的主要途徑。 因此單位面積上的縮孔縮松數(shù)量對沖擊功有顯著的影響。(a)第1組樣品的夾雜物形貌(b)第 2組樣品的夾雜物形貌(c) 第 2組樣品的夾雜物形貌圖 5 鑄件中的夾雜物形貌Fig.5 The morphology of the inclusion in the casting圖 5所示的夾雜物尺寸基本都小于 10 m，并且單位面積上數(shù)量很少。有資料顯示，碳元素的加入不僅有利于固溶強化，而且通

22、過與合金元素形成碳化物顆粒能夠提高材料的硬度。這種合金碳化物能夠有效的增強合金的強度。但是， 第二相粒子的聚集是顯微裂紋容易萌生的位置。但是圖中可見，夾雜物分布較為分散，并沒有大量的夾雜物聚集的情況出現(xiàn)。鉻（Cr ），鉬（ Mo ），錳（ Mn ）都是碳化物的形成元素，這些碳化物使鋼的基體得到了強化，但是不利于斷裂韌性或沖擊韌性，因為它們是微觀裂紋形成初期的潛在裂紋源11 。又有文獻指出， 具有單一尺寸的初生相夾雜物與基體之間的結(jié)合力比較弱，而第二相夾雜物與基體之間有很強的結(jié)合力，這使得第二相夾雜物在斷裂過程中不會脫落形成孔洞并成為裂紋源12 。因此，初生相夾雜物尺寸較大， 與基體的結(jié)合力較差

23、， 比第二相夾雜物更易成為裂紋源。但是實驗中樣品的夾雜物尺寸基本都小于 10 m，并且單位面積上數(shù)量很少，對樣品沖擊韌性的影響很小。3改進措施要提高中碳 Mn 系鑄態(tài)馬氏體 /貝氏體復相鋼的沖擊韌性， 主要是要減輕鑄造過程中鑄件的枝晶偏析。 首先，減輕鑄件的枝晶偏析會削弱沖擊試樣的枝晶取向造成沖擊值不穩(wěn)定的問題。其次， 當鑄件凝固時枝晶收縮枝晶間得不到液體補充會形成縮孔縮松， 減輕鑄件的枝晶偏析， 可以減少或防止縮孔縮松的形成， 從而使鑄件的沖擊韌性得到提高。 實施辦法可以通過調(diào)整化學成分， 改進冶煉工藝和澆注溫度， 還有熱處理時退火的溫度和時間來減輕或消除鑄件的枝晶偏析。4 結(jié)論（ 1）中碳

24、 Mn 系鑄態(tài)馬氏體 /貝氏體復相鋼上所取得的兩組試樣的沖擊韌性不佳，主要原因是枝晶組織凝固時在其周圍形成了大量的縮孔縮松。（ 2）中碳 Mn 系鑄態(tài)馬氏體 /貝氏體復相鋼的顯微組織的結(jié)構(gòu)單元及亞結(jié)構(gòu)單元的尺寸對沖擊韌性有一定的影響，沖擊韌性隨尺寸的減小而增強。（ 3）中碳 Mn 系鑄態(tài)馬氏體 /貝氏體復相鋼上所取的兩組試樣的沖擊韌性相差較大，可能是由于樣品的取樣方向不同造成的。 當樣品枝晶的主軸所在的面與沖擊方向平行，試樣的沖擊韌性較差；當枝晶主軸與沖擊方向垂直，試樣的沖擊韌性較好。（ 4）減輕鑄件的枝晶偏析是改善中碳 Mn 系鑄態(tài)馬氏體 /貝氏體復相鋼的沖擊韌性不佳以及沖擊值不穩(wěn)定的主要途

25、徑。參考文獻1 G. Lacroix, T. Pardoen,The fracture toughness of TRIP-assisted multiphase steelsJ ，Acta Materialia , 2008, (56 ) :3900 3913.2 章立群，劉自成， Mn 系貝氏體馬氏體復相鋼的研究及應用進展J，金屬熱處理， 2006（ 12）： 02-05.3R. Grossterlinden, R. Kawalla, U. Lotter, H. Pircher, Steel ResM. 63 (1992) 331 336.4F.G. Caballeroa,?, J. Chaoa， Toughness deterioration in advanced high strength bainiticsteelsJ， 2009:87 95.5LUO Zhi-jun, SHEN jun-chang, Effect of Substructure on Toughness of Lath Martensite/Bainite Mixed Structure in Low-Carbon SteelsJ, Iron and