控軋控冷超低碳貝氏體鋼的顯微組織分析

控軋控冷超低碳貝氏體鋼的顯微組織分析

0組織本身的復(fù)雜性低碳貝氏體鋼是一種新型的高強(qiáng)度和高耐寒鋼，其組織形狀和特點與傳統(tǒng)的貝氏體鋼有很大不同。如何判定鋼中組織,進(jìn)而根據(jù)組織特征的研究為合金設(shè)計及控軋控冷工藝的改進(jìn)指出方向,對于超低碳貝氏體鋼來說都是需要解決的問題,加之國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對超低碳貝氏體鋼有不同的理解,討論組織時采用不同的術(shù)語,引起了概念上的一些混亂。況且超低碳貝氏體鋼組織判定的困難或不同見解,還起源于該組織本身的復(fù)雜性,這是由于:(1)在未再結(jié)晶區(qū)控制軋制和加速冷卻形成了細(xì)小的晶粒和高的位錯密度,同時變形也引起了組織的變化,使組織難以分辨;(2)很低的碳含量使貝氏體轉(zhuǎn)變溫度上升,在相變同時還伴隨著明顯的回復(fù)過程,所得的組織與經(jīng)典的貝氏體有很大的差異,使超低碳貝氏體概念有很多不確定性;(3)連續(xù)冷卻形成的組織是漸變的,在各種典型組織之間有很多過渡形態(tài)。因此不同的研究人員對同一組織往往得出不同的結(jié)論,即使同一個研究小組,也會因鋼種或時間不同有不同的判定。為了明確闡述超低碳貝氏體鋼組織特征和其形成機(jī)理的特點,作者對新開發(fā)的兩階段軋制工藝生產(chǎn)的高強(qiáng)韌耐沿海大氣腐蝕鋼的縱向、橫向、軋件心部、軋件表面組織進(jìn)行了分析對比研究,總結(jié)了超低碳貝氏體鋼軋件不同方向上的顯微組織特點,反映超低碳貝氏體鋼顯微組織復(fù)雜性、多變性,為研制開發(fā)以貝氏體加少量鐵素體為基體組織的超細(xì)復(fù)合組織鋼提供試驗研究依據(jù)。1化學(xué)成分的添加試驗用鋼為屈服強(qiáng)度在600MPa以上級別的超低碳貝氏體鋼,在真空感應(yīng)電爐中冶煉,共計10爐鋼;鋼的成分為在C-Mn-Si鋼的基礎(chǔ)上添加改善耐蝕性或提高強(qiáng)韌性的合金元素。以1#鋼的成分為基準(zhǔn),添加了銅、鉻、鎳、鈮、鉬、鋁、硼、磷等元素,2#～10#鋼合金元素的添加差別較小,其中1#～3#鋼化學(xué)成分見表1。將鋼錠熱鍛成厚度為80mm的熱軋坯,鍛壓加熱溫度為1200℃。軋制試驗采用兩階段控軋控冷工藝,第一階段為五道次軋制,開軋溫度1150℃,終軋溫度980～1000℃,總變形量70%;第一階段軋制完成后,空冷至965～950℃,進(jìn)行第二階段六道次軋制,累積變形量75%,終軋溫度800～850℃,終軋完了空冷至780·℃,再以15～20℃/s的冷速水冷至室溫;成品板厚度6mm。在6mm的鋼板上切割出金相試樣,經(jīng)磨制、機(jī)械拋光后用3%的硝酸酒精溶液浸蝕,用Neophot21型光學(xué)顯微鏡和CambrigeS-360型掃描電鏡對鋼板的縱向、橫向、心部、表面試樣進(jìn)行顯微組織觀察與分析。2試驗結(jié)果與分析2.1貝氏體在主要組織的鋼中的分布由圖1可見,原奧氏體晶粒沿軋向被軋成扁平狀,晶界清晰可見,原奧氏體晶粒寬度在6～13μm之間;鋼板的軋態(tài)組織主要為粒狀貝氏體、板條貝氏體及部分多邊形鐵素體;單從光學(xué)顯微組織上很難區(qū)分粒狀貝氏體和板條貝氏體,通過SEM可以清楚發(fā)現(xiàn),除5#鋼以板條貝氏體為主外,其余幾種鋼均以粒狀貝氏體為主,在貝氏體基體上分布著少量的多邊形鐵素體;在以板條貝氏體為主的5#鋼中發(fā)現(xiàn),在一個原始的奧氏體晶粒內(nèi)可見到明顯的分區(qū)現(xiàn)象,各個分區(qū)邊界清楚,在一個貝氏體區(qū)內(nèi),大量板條方向一致,互相平行,稱之為一個貝氏體束,一個貝氏體板條寬度在0.7～1.2μm,長度在6～9μm,在原奧氏體晶粒內(nèi)分布著一些體積分?jǐn)?shù)(下同)約20%的多邊形鐵素體;以粒狀貝氏體占主要組織的鋼中,在奧氏體晶粒內(nèi)沿軋向分布著許多條帶狀的貝氏體組織,其分布沒有方向性,邊界不清晰,在光學(xué)顯微組織中容易與板條貝氏體邊界混淆,在粒狀貝氏體基體上分布著約占5%～10%的多邊形鐵素體和很少量的板條貝氏體。無論是以粒狀貝氏體還是以板條貝氏體為主要組織的鋼中,都有一定數(shù)量的塊狀多邊形鐵素體沿晶內(nèi)分布,在光學(xué)顯微組織中呈亮白色,邊界清晰,與周圍的貝氏體有一定的襯度差,凹凸不平,呈高度的不規(guī)則,多邊形鐵素體基體上偶然也可見馬氏體/奧氏體島。鋼中都有一定數(shù)量的馬氏體/奧氏體小島,其中2#、3#鋼小島的數(shù)量相對于其它鋼來說較多,馬氏體/奧氏體小島以粒狀或條狀分布于晶內(nèi)或晶界上,總體上分布較均勻(圖中A為板條貝氏體;B為板條亞晶界;C為原始奧氏體晶界;D為多邊形鐵素體;E為粒狀貝氏體;F為馬氏體/奧氏體島)。2.2晶粒形態(tài)及尺寸由圖2可見,橫向組織的方向性沒有縱向明顯,組織由貝氏體和多邊形鐵素體組成,數(shù)量不多的馬氏體/奧氏體小島分布于貝氏體基體上。5#鋼中原奧氏體晶界較清晰,奧氏體長寬比在2～3之間,沿橫向呈長條狀分布,原奧氏體晶粒內(nèi)有5%～10%左右的不規(guī)則、呈白色的多邊形鐵素體,也呈長條狀分布;由于試驗條件有限,軋件變形不均造成奧氏體晶粒大小差別較大,小的晶粒尺寸有6～15μm,大的有20～35μm,從5#鋼橫向SEM形貌中可以看出馬氏體/奧氏體小島數(shù)量較多,沿貝氏體基體分布較均勻。而其余鋼粒狀貝氏體的特點較明顯,粒狀貝氏體是介于多邊形鐵素體和板條貝氏體范圍內(nèi)形成的,也屬于中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,只是形成溫度稍高;粒狀貝氏體中小島接近于粒狀或等軸形狀,分布比較混亂,沒有規(guī)律和方向性,無論是光學(xué)還是SEM組織中,原始奧氏體晶界均模糊不清,在粒狀貝氏體基體上分布著少量的多邊形鐵素體,在SEM組織中馬氏體/奧氏體小島數(shù)量不多,分布均勻彌散。2.3小樣本中細(xì)胞的組織變化由圖3可見,除5#鋼主要以板條貝氏體外,其余鋼表面與心部組織主要由粒狀貝氏體和多邊形鐵素體組成,但表面組織中,粒狀貝氏體明顯比心部要細(xì)小彌散,粒狀貝氏體基體上分布很少量的多邊形鐵素體,由于基體是混亂粒狀貝氏體,因而原奧氏體晶界不清晰;心部組織中多邊形鐵素體相對較多,原奧氏體晶界較清晰,這主要是由于表面與心部存在溫差,心部溫度高,在心部先共析鐵素體數(shù)量較多,而軋坯表面溫度低,直接發(fā)生了粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變。根據(jù)以上對試驗鋼軋件縱向、橫向、表面、心部組織的觀察,可知超低碳貝氏體鋼的形態(tài)主要可分為粒狀貝氏休和板條貝氏體,在光學(xué)顯微鏡下具有以下特點:隱約可見的板條輪廓;基體上有富碳的島狀組織,其排列有一定規(guī)律;有時具有極不規(guī)則非等軸的任意取向的晶粒外形。粒狀貝氏體和板條貝氏體的區(qū)別在于島的形狀,前者的小島呈粒狀,分布于板條間,而后者的小島有明顯拉長的趨勢,以條狀分布于板條間。此外,典型的板條貝氏體很長,板條的特征很明顯,而粒狀貝氏體盡管轉(zhuǎn)變時從奧氏體析出的鐵素體也是板條狀,但由于形成溫度高,位錯結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的回復(fù),使原始的板條界有消失的跡象,所以有時光學(xué)組織下的板條界不太清晰。當(dāng)然,位錯結(jié)構(gòu)的回復(fù)在板條貝氏體中也存在,只是程度較為輕微?？磥?粒狀貝氏體和板條貝氏體只有在兩個極端的溫度下才有明顯的差異,而處于中間過渡溫度時很難截然分開,因此從產(chǎn)品檢驗的目的出發(fā),不必區(qū)分兩類貝氏體。如試樣中某種貝氏體特別明顯,則可注明,一般情況下可統(tǒng)稱為貝氏體。掃描電鏡下由于放大倍數(shù)高,貝氏體內(nèi)部的板條及小島特征更為清晰,貝氏體和鐵素體的差別也比光學(xué)顯微鏡下明顯。由于超低碳貝氏體鋼連續(xù)冷卻時所得的是多相混合組織,包含了從多邊形鐵素體到板條貝氏體的各種組織,判定時為了全面反映組織,往往同時標(biāo)上了所有可能出現(xiàn)的組織,如多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、板條貝氏體、珠光體、馬氏體/奧氏體等等,這樣的判定沒有分清主次,也難以反映材料真實的組織特征;實際上,各類組織是連續(xù)形成的,難以截然分開,建議:(1)根據(jù)奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的特征,把組織分成鐵素體和貝氏體兩類;(2)要分清主次,在組織定量分析有困難時,應(yīng)說明何者是主要的,如有可能給出大致的估計量;(3)應(yīng)注明富碳奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性質(zhì),是大塊的高溫共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物珠光體,還是島狀馬氏體/奧氏體或退化珠光休、貝氏體。除組織類型外,晶粒大小、均勻度(或混晶特征)、島狀物的特征、帶狀組織等對材料性能有重要影響,有些情況下,這些組織要素對性能的影響可能超過了組織類型的作用,所以產(chǎn)品檢驗時要全面關(guān)注這些組織要素。3精細(xì)結(jié)構(gòu)和組織分布(1)超低碳貝氏體鋼連續(xù)冷卻時的組織是多相混合組織,包含多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、板條貝氏體、馬氏體/奧氏體島等,掃描電鏡下粒狀貝氏體和