亚共析钢中魏氏组织对材料脆化倾向的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.01.012 北京钢铁学院学报 1983年第1期 亚共析钢中魏氏组织对材料 脆化倾向的影响 金属物理教研室职任涛屠欢林实肖纪美 摘要 用两种不同的试验方法，即带有尖锐缺口的室温冲击试验和带有缺口于 -80°C下进行快速拉伸试验，对15A深冲弹钢中两种不同的铁素体形态（魏氏铁 素休及状块铁素体)进行了材料脆化倾向的研究。结果表明，在原奥氏体晶粒大 小相同的条件下，具有魏氏铁素体的试样其脆化倾向较小，而块状铁素体试样的 脆化倾向较大。本文对这些结果作了进一步的讨论。 关于15A和20A深冲弹钢中出现魏氏组织对冲击韧性和脆性转变温度的影响， 近两年来国内曾有过多次研究。〔1〔？)他们的结果均表明，在具有魏氏铁素体组织 的试样中，其中冲击值均比不具有魏氏组织的块状铁素体为高，且脆性转变温度 比块状铁素体的为低。近年来为了提高热轧钢板的韧性，采用轧后快冷，获得针 状铁素体组织C3)。 为了进一步弄清深冲弹钢中魏氏组织对机械性能的影响，使含有魏氏组织和 不含魏氏组织（块状铁素体）的脆化趋势更加明显，本文从两个方面进行了研究：一 为带有尖锐缺口的冲击试验，一为在一80°℃对带有缺口的试样塑性和韧性降低 的缺口敏感性。由于单纯室温缺口冲击试验使材料脆化的趋势，没有用降低温度 的方法使材料脆化来得显著，故又采取了降低温度和快速形变结合的方式，使具 有魏氏组织和不含魏氏组织的脆化倾向更趋明显，以便更好的进行比较。 本文从力性实验数据和断口分析中均表明，具有魏氏组织的试样，其脆化倾 向反比块状铁素体的小，因此，长期以来，笼统的认为凡有魏氏组织都必定降低 冲击值且使脆化倾向增大的看法，是值得商确的。 实验方法 试样所用的钢为15A,其化学成分如表1所示。 将冲击试样和拉伸试样制成毛坯后，置于通有氩气保护的管式炉中进行热处理，热处 理按下述两种规范进行： 热处理1.是为了获得魏氏组织。 热处理2，是为了获得块状铁素体。 150

北 京 桐 铁 举 院 学 报 1白台3牟 第1翔 亚共析钢 中魏氏组织对材料 脆化倾 向的影响 金 属 物理教 研 室 职任 涛 屠欢 林 实 肖纪 美 摘 要 用两种不同的试验 方法 , 即带有尖锐缺 口 的 室温冲击 试 验 和 带 有 缺 口 于 一 80 “ C 下进 行快速拉伸试验 , 对 15 A 深冲弹 钢中两种不同的铁素体形 态 ( 魏 氏铁 素休及 状块 铁素 体 ) 进行了 材料脆化 倾向的 研究 。 结果表 明 , 在原 奥 氏体晶 粒大 小 相同 的条 件下 , 具有魏 氏铁素体的 试样其脆化倾 向较 小 , 而块 状铁素体试样 的 脆化倾 向较大 。 本文对 这 些结果 作了进 一步 的讨论 。 关于 15 A和 20 A 深 冲弹钢中出现魏氏组织对冲击韧性和 脆性转变温度的 影响 , 近两年夹 国 内曾有过 多次研究 。 〔 l 〕〔 2 〕他们 的结果均表 明 , 在 具有魏 氏铁素体组 织 的试 样中 , 其 中冲 击值均比不 具有魏 氏组织的块状铁素体 为高 , 且脆性转变温 度 比块状铁 素体的 为低 。 近年来 为了 提 高热轧钢板的 韧性 , 采 用轧后快冷 , 获得 针 状铁素体组织〔 3 〕。 为了 进一 步弄清深冲弹钢中魏氏组织 对机械性能的 影响 , 使含有魏 氏组织和 不 含魏 氏组织 (块 状铁素体) 的脆化 趋势更加 明显 , 本文从 两个方面 进行了 研究 : 一 为带 有尖 锐 缺 口 的 冲 击试验 , 一 为在 一 80 “ C对带 有缺 口 的试样塑性 和 韧 性 降 低 的缺 日 敏 感性 。 由于 单纯 室温缺 口 冲击 试验 使材料脆 化的 趋势 , 没有用降低 温度 的方 法使 材料 脆化 夹得 显著 , 故又采取了降 低温度和快速形 变结合的方式 , 使 具 有魏氏组 织和 不 含魏 氏组 织的 脆化倾 向更趋 明显 , 以便 更好 的进行比较 。 本文 从 力性实 验数 据和断 口 分析 中均 表 明 , 具 有魏 氏组 织的试样 , 其脆 化倾 向反 比块 状铁 素体 的小 , 因此 , 长期口来 , 笼 统的 认 为凡有魏氏组织 都必定 降 低 冲 击值且 使脆 化倾 向增 大的看 法 , 是 值得商 确的 。 实 验 方 法 试样所用的 钢为15 A , 其化学成分如表 1 所 示 。 将冲击试 样和拉伸试样制成毛坯 后 , 置于通有氢气保 护的管式沪 中进 行热处理 , 热处 理按 下述 两种 规范进 行 : 热 处理 1 . 是 为了获 得魏 氏组织 。 热 处理2 . 是为了获得 块 状铁素体 。 1 5 0 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1983. 01. 012

表1 15A钢的化学成分 化 兴 成 分 C Mo Si 含 量 (%) 0.16 0.41 0.02 0.029 0,009 0.058 将经过处理后的毛坯，刨去1~1.5mm的脱碳层，在冲击试样的正中部用线切割开有 a)1050℃30'（或1100℃） b)930℃30 T℃1a)1050℃30（或1100℃） b)930℃30 40 700℃ 空冷 热处理1 热处理2 1.5mm深的缺口，然后进行室温冲击。拉伸试样为3×5.5mm的板状试样，试样中部用线 切割开有1mm深的缺口，然后在MPF100的拉伸试验机上将试样置于装有液氮装置的酒精 中，待温度降至-80°C时，进行快速拉伸试验。 试验结果与讨论 1,缺口室温冲击试验结果。 试样的冲击值见表2，断口形貌见照片1。 表2 线切割1.5mm试样的缺口冲击韧性 热处即规范 瑞 冲击功(Kg-m) 平留冲击功(Kg一m) 冲击韧Kg-m/cm多 21,4 930°C30'风冷 20.6 23.0 19,8 3 15.6 930°C30'→700°C40'空冷 15,4 17.1 15.2 5 16.5 1100°C30'风冷 16,1 17,9 6 15,8 7 8.2 1100°C30'+700°C40'空冷 8.1 9.0 8 8.0 从上述结果中知道，无论从冲击值的数据中，或是从断口形貌中，均表明具有魏氏铁 素体的试样，在缺口敏感性方面，比块状铁素体试样的韧性塑性高。照片1的断口中，具 有魏氏组织的断口，其韧断区比块状铁素体的韧断区大许多，后者断口中，结晶状的脆断 区几乎占断口面积的75%以上，而前者仅约占断口面积的40%。 151

农 1 15 A 钢 的 化 学 成 分 学 成 分 1 C M ” S ` ” P A , t ( % ) 0 。 16 0 。 4 1 0 。 02 0 。 0 2 9 0 。 0 0 0 0 一 95 8 将 经过 处理 后的毛坯 , 刨去 1~ 1 . s m m 的脱碳层 , 在冲击试样的正中部 用 线 切 割 开 有 1 0 5。 ℃ 3 0 1 (成1 1 0 0七 ) 9 30 七3 0 , a ) 1 0 5 0 ℃ 3 0 , (或 11 Q0 ℃ ) b ) 9 3 0 七 3 0 , T O C ! ` , ! b ) } 空冷 热 处 理 1 热 处 理 2 1 . s m m 深 的缺 口 , 然后进 行室温冲击 。 拉 伸试样为3 x s . s m m 的 板状试样 , 试样中部 用线 切割 开有 l m m 深 的缺 口 , 然后 在 M P F 1 0 的拉伸试验 机 上将试样置于装有液氮 装 置的 酒精 中 , 待 温度降至 一 80 “ C 时 , 进行快速拉 伸 试验 。 试验结果与讨论 1 . 缺 口 室 温冲击试验结果 。 试样 的冲 击值见 表 2 , 断 口 形 貌见 照 片1 。 表 2 线 切 割 1 . s m m 试 样 的 缺 口 冲 击 韧 性 一生兰翌坚二兰兰土翌当到燮翌竺… 冲 击” K 。 一/ 。二 : {一 一 — ’ _ _ 1 1 } 2 1 . 4 1 1 兰兰竺一 一 州二二耳耳三巫二二{ 一 一里立一匕 . 兰二一 l 芯 } 1 5 . 6 { l 9 3 0 “ C 3o “ 7 0 0 O c 40 ` 空 冷 } — — { — 1 15 · 4 } 17 · 1 — 一- 一一{— . 卜 一土一一兰些 — 上一一一一一 一 匕 — 一一 1 5 1 1 6 一 5 { } ` l。 。 “ c 3。 ’ 风 冷 {一 6 一{一二而厂一} ` 6 . , . 1 . 1 7 户 _ . } : l 。 . : l } 1 10 0 0 c 3 0 , ` 7 00 0 c 40 ` 空 冷 } — } — { 8 · 1 1 9 · 0 } 吕 } “ · ” } } _ 从上 述结果 中知道 , 无 论从冲击值的 数据中 , 或是从断 口 形貌中 , 均 表明 具有魏 氏铁 素体 的试 样 , 在 缺 口 敏 感性 方面 , 比 块状铁 素体试样 的 韧性塑 性 高 。 照片 1 的 断 口 中 , 具 有魏 氏组织 的断 口 , 其韧断 区 比块状铁素体的 韧断区大许 多 , 后 者断 口 中 , 结晶状 的脆断 区几乎 占断 口 面积的 75 % 以上 , 而前者仅约 占断 口 面积的 40 % 。 1 5 1

如所周知，冲击韧性是随材 料强度的塑性二者的影响甚至比 强度的影响更大，因此，凡提高 材料的塑性因素都会使冲击韧性 值提高。出朗氏组织和块状铁素 体的金相形貌中可知（照片2）， 由于魏氏组织的铁素体以片状分 布，而块状铁素体以等轴状分布 于基体中，因此前者的铁素体晶 粒比后者细小均匀，这是魏氏组 织塑性比块状铁素体好的主要原 因，其次，由于铁素体晶粒细 服片1冲击断口形貌 小，它们的C,N原子和第二相 其中1,2,3每含有魏氏组织的试样4,5,6为块状铁素体 试样2× 粒子的分布都比较均匀，这些都 能使冲击韧性提高。 2.低湿快速形变 我们知道，多晶体塑性变形的特点之一是起始塑性变形的非同时性，也就是说，材料在 外界负荷作用下，材料不可能在同一个时候全部开始塑性变形，而是在那些有利于塑性变 形的晶粒中最先开始（比如晶粒滑移面对外力的取向适宜，或某些区域有应力集中等）。当 金属的组织愈不均匀时或应力过分集中时，这种起始塑性变形非同时性就更加严重。另 外，断裂也不可能在各晶粒内同时开始，在外力作用下，断裂总是从有缺陷的地方开始， 即裂纹从这些地方最先出现，然后逐渐发展扩大到整个金属断面而发生断裂，这就是说， 断裂是一个裂纹形核和不断扩展的过程，基于上述原因，在拉伸试样上开一缺口，并在低 温下快速形变，就能明显的看出材料的脆化倾向。 (a) (b) 服片2(a)1100°C空冷，魏氏组织(b)1100°C→700°C40'水冷，块状铁素体200× 关于魏氏组织和块状铁素体的低温断裂负荷数值如表3。 从断口的电子扫描金相看，在930°C的魏氏组织试样中，几乎全部为韧窝，而在930°C 的块状铁素体和1050°C的魏氏组织中，有韧窝也有解理的河流状图形，1050°C的块状铁 152

如所周知 , 冲击 韧性是随材 料强度的 塑性二 者的 影响 甚至 比 强度的影 响更 大 、 因此 , 凡 提高 材 料的塑性 因素都会使冲击 浏性 值提高 。 由魏 氏组织 和块 状铁素 休的金 相 形貌中可知 (照片 2 ) , 由于 魏 氏组 织的铁 素体以 片状分 布 , 而块状 铁素体以 等轴状 分 布 于基 体 中 , 因 此 前者的铁素体晶 粒 比后者细 小均 匀 , 这是魏氏组 织塑 性比块 状铁 素体好的 主要原 因 , 其次 , 由于铁素 体 晶 粒 细 小 , 它们 的 C , N 原子 和第 二 相 照 片1 冲 击 断 口 形 貌 其 中 1 , 2 , 3每含 有魏氏 组织 的 试 样4 , 5 , 6为 块状铁 素体 试 样Z x 粒子的分布都比 较均匀 , 这些都 能使冲击 韧性提 高 。 2 。 低沮快速形 变 我们知 道 , 多 晶体塑 性变形的特点之 一是 起 始塑性 变形的 非同时性 , 也就是说 , 材料在 外界 负荷作用下 , 材料不 可能在同一 个 时侯全 部开 始塑 性变形 , 而是在那 些有利于塑性变 形 的晶 粒中最先 开始 (比如 晶粒滑移面对外力的取向适宜 , 或 某些 区域有应力集 中等 ) 。 当 金 属的 组织 愈不均 匀 时或应力过 分集 中 时 , 这种起 始塑性 变形 非 同时性就 更 加 严 重 。 另 外 , 断 裂也不可能在各晶粒 内同时开 始 , 在外 力作 用下 , 断裂 总是 从有缺 陷的地 方开始 , 即裂 纹 从这些 地方 最先出现 , 然 后逐渐 发 展扩 大到整 个金 属断面而发 生断裂 , 这就是说 , 断裂是一 个裂纹 形 核和不 断扩 展的过 程 , 基 于上 述原 因 , 在 拉伸 试样上 开一 缺 口 , 并在 4氏 温下快速 形变 , 就能明 显的看 出材料的 脆化 倾向 。 照 片2 ( . ) 1 1 0 0 0 C 空 冷 , 魏 氏组 织 ( b ) 1 10 0 O C , 7 0 0 “ C 4 0 , 水 冷 , 块 状 侠 素体2 0 O x 关于 魏 氏组织 和块 状铁素体的低 温断 裂负荷数 值如 表 3 。 从 断 口 的 电子扫描金 相 看 , 在 9 3。 “ C 的 魏氏组 织试 样 中 , 几乎 全 部为韧窝 , 而在 9 3 0 “ C 的 块状铁 素体和 1 0 5 0 “ C的 魏 氏组 织 中 , 有韧窝也有解理 的河 流状图 形 , I O5 0 O C的 块 状 铁 1 5 2

表3 -80°C的缺口拉伸试验结果 试样 断裂负荷 平均攸 缺口断裂强度 热处理规范 宏观断口分析 州 号 (Kg) (Kg) (Kg/mm2) 11 555 930C.30'空冷 545 145 有明显缩颈断口是暗灰色 12 E35 21 375 930°C.30'—>700°C.40'空冷 377 102 缩颈不明显断口发亮 22 380 31 325 1060°C,30'空冷 319 35 培颈不明显断口发亮 32 313 41 290 1050°C.30→700C.40'空冷 292 22 无缩颈断口发充 42 295 素体中，则差不多以解班为主，断口大部呈河流状，（照片3）。由此说明，无论是930℃ 还是1050C的魏氏组织，都比同等温度的块状铁素体的塑性要好。 断口分析的结果和断裂负荷是一致的。至于为什么魏氏组织的试样其脆化趋势比块状 铁素体要小，这在缺口冲击中已谈过，这里就不多述。 (c) (d) 照片3拉仰试样斯口的电子扫挡图像 (a)930C30'空冷，(b)950°C30'→700°C40'空冷. (c)1050C30'空冷，(d)1050°C30→700°C40'空冷： 500× 153

衰 3 一 8 0o C 的 缺 口 拉 伸 试 验 结 果 热 处 理 规 范 平 均 值 ( K g ) 缺 口 断 裂 强 度 ( K g / m m Z ) 宏 观 断 口 分 析 一 一一 - 一 ~一 ~ - ` 一 9 3 0 O C . 30 , 空 冷 一 1纂彗… ` 黑 民干票 号片:升 5 4 5 14 5 有明 显 缩颈断 口 呈 暗灰色 9 3 0 O C 。 3 0 , 一夕7 0 0 O C . 40 产 空 冷 3 7 7 1 0 2 缩颐 不 明显 断 口 发亮 3 2 5 1 0 6 0 O C . 3 0 ` 空 冷 3 19 缩颐 不 明 显断 口 发 亮 3 1 3 幻一32 } ` , } : 。。 } { 1 05 0 . C · 3 0曰 7 0 。 。 C · 4 0 ` 空 冷 } — } — } 2 92 } 2 2 . _ . _ _ _ . _ 二 _ _ _ . _ . _ _ 川 ! 4“ } “ 95 一上一 _ _一土一— 无缩 颐 断 口 发 亮 素体 中 , 则 差不 多 以解理 为 主 , 断 口 大 部 呈河 流状 , (照 片 3 ) 。 由此说明 , 无 论是 93 0 O C 还是1 0 5 0 “ C的 魏 氏组织 , 都 比 同等温 度的 块状铁 素 体的 塑性 要好 。 断 口 分 析 的结果 和 断裂 负荷是 一致的 。 至于为 什么魏 氏组 织的 试样其 脆化 趋势 比块状 铁素体要小 , 这在 缺 口 冲击中 已 谈过 , 这 里就不多 述 。 ( e ) ( d ) 照 片 3 拉 仲试 样断 口 的 电 子 扫 描 图 像 ( a ) 9 3 0 O C 3 0 , 空 冷 。 ( b ) 9 3 0 O C 3 0 产 , 7 0 0 O C 4 0 尹 空 冷 。 ` c ) l o s o o c 3o , 空 冷 . ( d ) 1 0 5 0 O c 3 0 “ 7 o 0 O C 4 o ` 空冷 , 50 0 义 攀5争

结 论 1·从→α的转变中，当奥氏体晶粒大小相同时，具有魏氏组织的材料其缺口冲击韧性 比块状铁素体高。低温(-80℃)缺口快速拉伸中，也是前者的断裂负荷比后者大。 2,由上述结果得知，魏氏铁素体材料的脆化趋势比块状铁素体的要小。 参考文献 〔1) 东北工学院，S8A钢中魏氏组织对机械性能的影响。 〔2)齐钢：齐钢钢研所。 C3〕肖纪美：“金属的韧性与韧化”上海科技出版社(1980)395。 The Effect of Widmanstatten Ferrite on The Embrittlement Tendency of Hypo-Eutectoid Steel Zhi Rentao,Tu Huan,Lin Shi,Xiao Jimei Abstract The embrittlement tendency of deep drawing shell steel 15A which hao two different morphologies of ferrite (W-ferrite and mass ferrite)has been studied by means of two methods,i.e,impact test with sharp notch at room temperture and high speed tensile test with notch at -80C.The resulfs showed that the specimens with mass ferrite were more brittle than those with W-ferrite when the grain size of the prior Austenite is the same,These results haoe been further discussed, 154

结 论 .1 从 r ” a 的 转变中 , 当奥氏体晶 粒大小相同时 , 具有 魏氏 组织的材料其缺口 冲击 韧性 比块 状铁素体高 。 低温 ( 一 80 “ C ) 缺 口 快速拉伸中 , 也是前者的断裂负荷比后者大 。 2 . 由上述 结果得知 , 魏 氏铁素体材料的脆化 趋势比块状铁 素体的要小 。 参 考 文 献 〔 1 〕 〔 2 〕 〔 3 〕 东北工学院 : 复孟;交钢中魏 氏组 织对机械性能的 影响 。 齐钢 : 齐钢钢研所 。 肖纪美 : “ 金 属的 韧性 与韧化 ” 上海科技出版社 ( 1 9 8 0) 3 9 50 T h e E f f e e t o f Wi d m a n s t五t t e n F e r r i t e o n T h e E m b r i t t l e m e n t T e n d e n e y o f H y p o 一 E u t e e t o i d S t e e l Z h i R e n t a o , T u H u a n , L i n S h i , X i a o Ji m e i A b 吕t扭 ct T h e e 也 b r i t t l e . e n t t e n d e n e了 o f d e e p d r a w i n g s h e ll s t e e l 1 5 A w h i e h h a o t w o d i f f e r e n t m o r p h o l o g i e s o f f e r r i t e ( W 一 f e r r i t e a n d m a s s f e r r i t e ) h a s b e e n s t u d i e d b y m e a n s o f t w o m e t h o d s 一 i . e , i m p a e t t e s t w i t h s h a r p n o t e il a t r O O i n t e m P e r t u r e a n d h i g h s p e e d t e n s i l e t e s t w i t h n o t e h a t 一 8 0 “ C . T h e r e s u l f s s h o w e d t h a t t h e w i t h w 一 f e r r i t e s p e e i m e n s w i t五 m a s s f e r r i t e w e r e m o r e b r i t t l e t h a n t h o s e w h e n t h e g r a i n s i z e o f t h e p r i o r A u s t e n i t e 1 5 t il e s a m e , T h e s e r e s u l t s h a o e b e e n f o r t h e r d i s e u s s e d 。 1 5 4