D0I:10.13374/1.issnl00I103.2008.04.042 第30卷第4期 北京科技大学学报 Vol.30 No.4 2008年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2008 初始组织形态对中碳钢温变形组织演变的影响 谭洪锋)杨王玥)陈国安) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要中碳钢温变形过程的组织演变包含铁素体动态回复，再结晶和渗碳体的析出球化等过程.采用Gleeble1500热模拟 试验机研究了初始组织形态对含碳0.48%（质量分数）的中碳钢在温变形中上述复杂过程的影响，结果表明：初始组织为珠 光体十先共析铁素体的试样在温加工变形中渗碳体层片发生了扭折、溶断到逐渐球化的过程，在铁素体回复再结晶的同时伴 随着细小弥散的渗碳体颗粒从过饱和铁素体中析出，得到微米级铁素体晶粒和颗粒状渗碳体弥散分布的复相组织，但等轴状 铁素体晶粒与弥散的渗碳体颗粒沿变形方向呈带状不均匀分布·温加工变形促进初始组织为马氏体的中碳钢中渗碳体析出 和铁素体回复与再结晶·由于初始条件下碳的分布在微观尺度下相对均匀，变形后获得细小等轴铁素体与均匀分布颗粒状渗 碳体的组织 关键词中碳钢：初始组织：铁素体；珠光体；马氏体：温变形 分类号TG142.1+1 Effect of initial microstructure on the microstructure evolution of medium carbon steel during warm deformation TA N Hongfeng),YANG Wangyue),CHEN Guoan2) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing:Beijing 100083.China 2)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The microstructure evolution of medium carbon steel during warm deformation includes dynamic recovery and recrystal- lization of ferrite,precipitation and spheroidization of cementite.The effect of initial microstructure on the microstructure evolution of a medium carbon steel(0.48%C in mass fraction)during warm deformation was investigated by hot uniaxial compression tests.The results indicate that the lamellar structure of pearlite in the initial microstructure of pearlite +ferrite is kinked,dissolved and spheroidized during warm deformation,with dynamic recovery and dynamic recrystallization of ferrite.the carbides precipitate from supersaturated ferrite,and then the duplex microstructure consisting of sub-micrometer ferrite grains and cementite particles is ob- tained.while the heterogeneous and zonal distribution of cementite particles and ferrite grains appear along the deformation direction. When the initial microstructure is martensite,the decomposition of martensite and the recovery and recrystallization of ferrite are en- hanced by warm deformation.Because of the uniform distribution of carbon in the matrix,the fine equiaxed ferrite grains and homo- geneously distributed cementite particles are formed. KEY WORDS medium carbon steel:initial structure:ferrite:pearlite:martensite:warm deformation 生产实践与科学研究表明，通过热处理工艺获 传统的球化退火热处理工艺往往需要长达几十 得细小铁素体晶粒和颗粒状渗碳体弥散分布的复相 小时的加热、保温和缓冷，才能使钢中的碳化物形态 组织，是使中碳钢获得较好的综合力学性能的有效 由片状改变为球状，而且球化效果往往不佳.调质 途径 处理（淬火十回火）可获得微米级铁素体晶粒和颗粒 状渗碳体弥散分布的复相组织，同样需要数个小时 收稿日期：2007-02-12修回日期：2007-04-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。-50471092):教育部博士 的回火时间 点基金资助项目(No.20050008017) 对珠光体而言，温变形一般是指在A4点以下 作者简介：潭洪锋(1982-)，男，硕士研究生：杨王玥(1946一)，女， 附近进行的中温加工变形，并不发生相变，温变形 教授，博士生导师，E-mail:wyyang@mater.ustb-dcm 的优点是，与冷加工相比，加工中的动态回复使变形
初始组织形态对中碳钢温变形组织演变的影响 谭洪锋1） 杨王 1） 陈国安2） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 摘 要 中碳钢温变形过程的组织演变包含铁素体动态回复、再结晶和渗碳体的析出球化等过程．采用 Gleeble1500热模拟 试验机研究了初始组织形态对含碳0∙48％（质量分数）的中碳钢在温变形中上述复杂过程的影响．结果表明：初始组织为珠 光体＋先共析铁素体的试样在温加工变形中渗碳体层片发生了扭折、溶断到逐渐球化的过程在铁素体回复再结晶的同时伴 随着细小弥散的渗碳体颗粒从过饱和铁素体中析出得到微米级铁素体晶粒和颗粒状渗碳体弥散分布的复相组织但等轴状 铁素体晶粒与弥散的渗碳体颗粒沿变形方向呈带状不均匀分布．温加工变形促进初始组织为马氏体的中碳钢中渗碳体析出 和铁素体回复与再结晶．由于初始条件下碳的分布在微观尺度下相对均匀变形后获得细小等轴铁素体与均匀分布颗粒状渗 碳体的组织． 关键词 中碳钢；初始组织；铁素体；珠光体；马氏体；温变形 分类号 TG142∙1＋1 Effect of initial microstructure on the microstructure evolution of medium carbon steel during warm deformation T A N Hongfeng 1）Y A NG W angyue 1）CHEN Guoan 2） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） State Key Laboratory for Advanced Metals and MaterialsUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he microstructure evolution of medium carbon steel during warm deformation includes dynamic recovery and recrystallization of ferriteprecipitation and spheroidization of cementite．T he effect of initial microstructure on the microstructure evolution of a medium carbon steel （0∙48％ C in mass fraction） during warm deformation was investigated by hot uniaxial compression tests．T he results indicate that the lamellar structure of pearlite in the initial microstructure of pearlite ＋ ferrite is kinkeddissolved and spheroidized during warm deformationwith dynamic recovery and dynamic recrystallization of ferritethe carbides precipitate from supersaturated ferriteand then the duplex microstructure consisting of sub-micrometer ferrite grains and cementite particles is obtainedwhile the heterogeneous and zonal distribution of cementite particles and ferrite grains appear along the deformation direction． When the initial microstructure is martensitethe decomposition of martensite and the recovery and recrystallization of ferrite are enhanced by warm deformation．Because of the uniform distribution of carbon in the matrixthe fine equiaxed ferrite grains and homogeneously distributed cementite particles are formed． KEY WORDS medium carbon steel；initial structure；ferrite；pearlite；martensite；warm deformation 收稿日期：2007-02-12 修回日期：2007-04-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50471092）；教育部博士 点基金资助项目（No．20050008017） 作者简介：谭洪锋（1982—）男硕士研究生；杨王 （1946—）女 教授博士生导师E-mail：wyyang＠mater．ustb．edu．cn 生产实践与科学研究表明通过热处理工艺获 得细小铁素体晶粒和颗粒状渗碳体弥散分布的复相 组织是使中碳钢获得较好的综合力学性能的有效 途径． 传统的球化退火热处理工艺往往需要长达几十 小时的加热、保温和缓冷才能使钢中的碳化物形态 由片状改变为球状而且球化效果往往不佳．调质 处理（淬火＋回火）可获得微米级铁素体晶粒和颗粒 状渗碳体弥散分布的复相组织同样需要数个小时 的回火时间． 对珠光体而言温变形一般是指在 Acl点以下 附近进行的中温加工变形并不发生相变．温变形 的优点是与冷加工相比加工中的动态回复使变形 第30卷 第4期 2008年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．4 Apr．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．04．042
第4期 潭洪锋等：初始组织形态对中碳钢温变形组织演变的影响 .369 抗力变得较小.但与普通热加工相比，加工温度较 1 低，可以抑制贮存能量的释放和晶粒长大， 实验方法 已有研究表明，对LC钢]、IF钢[3的温变 实验材料为商用碳素45结构钢，化学成分为 形以及中碳钢5-]的大形变量温变形(HWD)可获 Fe0.48C0.35Si-0.68Mn0.028P0.025S(质量 得微米级甚至亚微米级铁素体晶粒和颗粒状渗碳体 分数，%)，外购坯料改锻后机加工成圆柱试样.锻 弥散分布的复相组织，但一般所需后续保温或退火 造温度为900~1100℃，锻后900℃正火，保温20 时间较长，而且至今尚未深入探讨初始组织形态对 min十空冷.为保证试样良好的淬透性，以研究高温 中碳钢温变形组织演变的影响， 形变后的组织特征，试样采用较小尺寸(6mm× 本文研究了两种初始组织分别为珠光体十先共 15mm), 析铁素体(P十F)及马氏体(M)的中碳钢温变形过 本研究对两种不同初始组织的中碳钢进行压缩 程中组织演变规律，以探索获得相对现行传统工艺 变形，压缩实验在Gleeble1500热模拟机上进行，工 软化退火和调质处理来说更省时的、经济的，而且能 艺如图1，图1(a)所示初始组织为珠光体十先共析 获得微米级铁素体晶粒和颗粒状渗碳体弥散分布的 铁素体的温变形，以下简称珠光体温变形；图1(b) 复相组织的新工艺， 所示初始组织为马氏体的温变形，简称马氏体温变 1000P 1000- (a) 950℃×5min (b) 5 min t.e,e 史 留 500 500 20℃/s W.Q. 20℃/s W.Q.20℃/s w.O 10 15 00 10 15 时间min 时间min 图1不同初始组织温变形工艺图，(a)珠光体十铁素体；(b)马氏体 Fig-I Schematic diagram of warm deformation for different initial structures:(a)pearliteferrite:(b)martensite 形，通过不同热处理工艺获得不同初始组织形态， 2实验结果与讨论 试样在变形温度保温5min得到初始组织为珠光体 2.1显微组织的演变 十先共析铁素体；在950℃保温5min,然后直接冰 2.1.1珠光体温变形显微组织的演变 水淬火得到马氏体组织， 图2是45钢在形变温度600℃，形变速率 温变形在600和650℃进行变形，形变速率为 0.01s1经不同程度变形后的显微组织，图2(a)是 0.01和0.1s1,压缩真应变(e)从0.4到1.6.为保 试样未处理前的初始组织，由片层状珠光体和先共 留高温形变后的组织，试样变形后立即冰水冷却. 析铁素体组成，珠光体中渗碳体片层平均间距为 变形实验后的样品采用线切割方式从中心沿压 0.14m,珠光体体积分数约为63%，其余为先共析 缩轴方向剖开，机械抛光后抛光面用3%~4%硝酸 铁素体.图2(b)是c=0.8时的显微组织，趋向与压 酒精溶液浸蚀，在ZEISS-SUPRA55型扫描电子显 缩面平行的珠光体团内的片状渗碳体仍有相当一部 微镜下观察显微组织形貌.用Image"一Tool图像分 分没有溶断，与压缩面垂直的珠光体团内的片状渗 析软件，采用平均截线法测定铁素体晶粒及渗碳体 碳体溶断成棒状较明显，且趋于与压缩面平行排列， 颗粒的平均尺寸 部分渗碳体已经球化；先共析铁素体中出现亚晶，呈 将压缩试样沿变形轴线方向在中心部位用钼丝 现大概3~4m大小的亚晶结构.当e=1.2时，片 切割成厚度为0.2mm的薄片，机械减薄以及双喷 层状渗碳体大部分溶断并已经球化，小部分呈短棒 减薄后采用H800型透射电镜观察铁素体晶粒形态 状，趋于与压缩面平行排列，但变形后组织的均匀性 及铁素体晶内位错分布；双喷液为5%高氯酸十 仍然较差，其中先共析铁素体被压缩成条带状，部分 95%无水乙醇，电解电压为75V, 带状组织尚未完全等轴化，即使在某些已经完成等
抗力变得较小．但与普通热加工相比加工温度较 低可以抑制贮存能量的释放和晶粒长大． 已有研究表明对 LC 钢［1—2］、IF 钢［3—4］的温变 形以及中碳钢［5—6］ 的大形变量温变形（HWD）可获 得微米级甚至亚微米级铁素体晶粒和颗粒状渗碳体 弥散分布的复相组织但一般所需后续保温或退火 时间较长而且至今尚未深入探讨初始组织形态对 中碳钢温变形组织演变的影响． 本文研究了两种初始组织分别为珠光体＋先共 析铁素体（P＋F）及马氏体（M）的中碳钢温变形过 程中组织演变规律以探索获得相对现行传统工艺 软化退火和调质处理来说更省时的、经济的而且能 获得微米级铁素体晶粒和颗粒状渗碳体弥散分布的 复相组织的新工艺． 1 实验方法 实验材料为商用碳素45结构钢化学成分为 Fe—0∙48C—0∙35Si—0∙68Mn—0∙028P—0∙025S（质量 分数％）．外购坯料改锻后机加工成圆柱试样．锻 造温度为900～1100℃锻后900℃正火保温20 min＋空冷．为保证试样良好的淬透性以研究高温 形变后的组织特征试样采用较小尺寸（●6mm× 15mm）． 本研究对两种不同初始组织的中碳钢进行压缩 变形压缩实验在 Gleeble1500热模拟机上进行工 艺如图1．图1（a）所示初始组织为珠光体＋先共析 铁素体的温变形以下简称珠光体温变形；图1（b） 所示初始组织为马氏体的温变形简称马氏体温变 图1 不同初始组织温变形工艺图．（a） 珠光体＋铁素体；（b） 马氏体 Fig．1 Schematic diagram of warm deformation for different initial structures：（a） pearlite＋ferrite；（b） martensite 形．通过不同热处理工艺获得不同初始组织形态 试样在变形温度保温5min 得到初始组织为珠光体 ＋先共析铁素体；在950℃保温5min然后直接冰 水淬火得到马氏体组织． 温变形在600和650℃进行变形形变速率为 0∙01和0∙1s —1压缩真应变（ε）从0∙4到1∙6．为保 留高温形变后的组织试样变形后立即冰水冷却． 变形实验后的样品采用线切割方式从中心沿压 缩轴方向剖开机械抛光后抛光面用3％～4％硝酸 酒精溶液浸蚀在 ZEISS—SUPRA55型扫描电子显 微镜下观察显微组织形貌．用 Image—Tool 图像分 析软件采用平均截线法测定铁素体晶粒及渗碳体 颗粒的平均尺寸． 将压缩试样沿变形轴线方向在中心部位用钼丝 切割成厚度为0∙2mm 的薄片机械减薄以及双喷 减薄后采用 H800型透射电镜观察铁素体晶粒形态 及铁素体晶内位错分布；双喷液为5％高氯酸＋ 95％无水乙醇电解电压为75V． 2 实验结果与讨论 2∙1 显微组织的演变 2∙1∙1 珠光体温变形显微组织的演变 图2 是 45 钢在形变温度 600℃形变速率 0∙01s —1经不同程度变形后的显微组织．图2（a）是 试样未处理前的初始组织由片层状珠光体和先共 析铁素体组成珠光体中渗碳体片层平均间距为 0∙14μm珠光体体积分数约为63％其余为先共析 铁素体．图2（b）是ε＝0∙8时的显微组织趋向与压 缩面平行的珠光体团内的片状渗碳体仍有相当一部 分没有溶断与压缩面垂直的珠光体团内的片状渗 碳体溶断成棒状较明显且趋于与压缩面平行排列 部分渗碳体已经球化；先共析铁素体中出现亚晶呈 现大概3～4μm 大小的亚晶结构．当ε＝1∙2时片 层状渗碳体大部分溶断并已经球化小部分呈短棒 状趋于与压缩面平行排列但变形后组织的均匀性 仍然较差其中先共析铁素体被压缩成条带状部分 带状组织尚未完全等轴化即使在某些已经完成等 第4期 谭洪锋等： 初始组织形态对中碳钢温变形组织演变的影响 ·369·
.370 北京科技大学学报 第30卷 轴化的区域，渗碳体的分布也较不均匀（图2(c), 渗碳体弥散分布在晶内或晶界上，大小约为105nm 图2(d)为e=1.6时的显微组织形貌，可以看出铁 左右，形成了微米级的等轴铁素体晶粒和颗粒状渗 素体基体基本上已经等轴化，晶粒尺寸平均为 碳体弥散分布的复相组织，但等轴状铁素体与弥散 1.4m;渗碳体基本上完全球化，但颗粒大小不一， 的渗碳体沿变形方向仍呈带状分布，随着变形量的 呈双峰分布，见图3(a),大颗粒渗碳体弥散分布在 增加，铁素体晶粒尺寸变小 铁素体晶界上，尺寸为310nm左右，球化的小颗粒 ND ND RD RD 图2初始组织为珠光体十铁素体的45钢在600℃、=0.01s1温变形后的显微组织形貌.(a)初始组织：(b)e=0.8:(c)e=1.2;(d)e =1.6 Fig-2 Microstructures of Steel 45 whose initial structure is pearlite+ferrite after warm deformation (600C.0.01s):(a)initial struc- tre:(b)e=0.8;(c)e=1.2:(d)e=1.6 晶内渗碳体 0.20 (a)晶内渗碳体 0.15r82.76±20.14nm (b) 品界渗碳体 0.16- 107.02±22.21nm 品界渗碳体 0.12 276.93±45.75nm 309±51.04nm 0.12 0.09 0.08 0.06 0.04 0.03 160 240 320 400 06 80 160 240 320 400 品粒尺寸m 品粒尺寸nm 图3不同初始组织的45钢在600℃、=0.01：和e=1.6温变形时组织中渗碳体颗粒尺寸分布.(a)初始组织为珠光体十铁素体；(b) 初始组织为马氏体 Fig.3 Distributions of cementite particle size of Steel 45 with different initial structures after warm deformation (600C.0.01s,and= 1.6):(a)pearlite+ferrite.(b)martensite 2.1.2马氏体温变形显微组织的变化 着应变量的增加，大大加速了板条马氏体分解为铁 图4是初始组织为马氏体的45钢在形变温度 素体十渗碳体的双相组织：渗碳体析出和铁素体回 600℃、形变速率0.01s-1温变形后的显微组织.随 复与再结晶过程同时加快，图4(a)为未变形前马氏
轴化的区域渗碳体的分布也较不均匀（图2（c））． 图2（d）为ε＝1∙6时的显微组织形貌可以看出铁 素体基体基本上已经等轴化晶粒尺寸平均为 1∙4μm；渗碳体基本上完全球化但颗粒大小不一 呈双峰分布见图3（a）大颗粒渗碳体弥散分布在 铁素体晶界上尺寸为310nm 左右球化的小颗粒 渗碳体弥散分布在晶内或晶界上大小约为105nm 左右形成了微米级的等轴铁素体晶粒和颗粒状渗 碳体弥散分布的复相组织但等轴状铁素体与弥散 的渗碳体沿变形方向仍呈带状分布．随着变形量的 增加铁素体晶粒尺寸变小． 图2 初始组织为珠光体＋铁素体的45钢在600℃、ε·＝0∙01s —1温变形后的显微组织形貌．（a） 初始组织；（b） ε＝0∙8；（c） ε＝1∙2；（d） ε ＝1∙6 Fig．2 Microstructures of Steel45whose initial structure is pearlite ＋ ferrite after warm deformation （600℃ε·＝0∙01s —1）：（a） initial structure；（b） ε＝0∙8；（c） ε＝1∙2；（d） ε＝1∙6 图3 不同初始组织的45钢在600℃、ε ·＝0∙01s —1和 ε＝1∙6温变形时组织中渗碳体颗粒尺寸分布．（a） 初始组织为珠光体＋铁素体；（b） 初始组织为马氏体 Fig．3 Distributions of cementite particle size of Steel45with different initial structures after warm deformation （600℃ε ·＝0∙01s —1and ε＝ 1∙6）：（a） pearlite＋ferrite（b） martensite 2∙1∙2 马氏体温变形显微组织的变化 图4是初始组织为马氏体的45钢在形变温度 600℃、形变速率0∙01s —1温变形后的显微组织．随 着应变量的增加大大加速了板条马氏体分解为铁 素体＋渗碳体的双相组织：渗碳体析出和铁素体回 复与再结晶过程同时加快．图4（a）为未变形前马氏 ·370· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第4期 潭洪锋等：初始组织形态对中碳钢温变形组织演变的影响 .371. 体初始组织，图4(b)为应变量e=0.4时的温变形 渗碳体颗粒在铁素体晶粒内弥散析出，e=1.2时 组织，可以看出，由于较低应变量形成的位错密度 (图4(d),铁素体基本上已经等轴化，晶界明显，晶 相对较低，变形持续时间也较短，所以渗碳体的析出 粒尺寸约为0.6m,晶界处的渗碳体大部分已经球 量不是很大，铁素体再结晶也不很明显，整体还是保 化，只有少部分呈椭圆状，但铁素体中析出的渗碳体 持着板条马氏体形貌，铁素体基体内出现亚晶，析出 的数量有所减少，平均尺寸略有增大，当变形量e 的渗碳体形貌不规则，有较多的细棒状和椭圆状渗 增大到1.6（图4(e),得到平均尺寸为0.67m的 碳体出现，即碳原子在能量条件有利的地方如三叉 细小铁素体晶粒，铁素体晶界上分布着球状、椭圆 界以及铁素体晶界处以渗碳体颗粒形式析出，同时 状，平均大小为275nm的渗碳体颗粒，相对e=1.2 在铁素体基体上也有粒径约50nm的细小球状渗碳 时有所粗化；另外在铁素体晶粒中弥散分布着平均 体弥散析出.变形量加大到e=0.8时（图4(c)),得 尺寸约为80nm的球状渗碳体，即析出的渗碳体呈 到尺寸在0.6m左右的细小铁素体晶粒，可以较明 双峰分布，见图3(b)·获得细小铁素体晶粒和颗粒 显区分晶界，细棒状和椭圆状渗碳体同时存在，细小 状渗碳体弥散分布的复相组织，均匀性较好 (a ND 2 um RD ND ND RD RD 2 um 2m ND RD 2 um 图4初始组织为马氏体的45钢在600℃和=0.01，温变形后的显微组织形貌.(a)初始组织：(b)e=0.4:(c)e=0.8:()e=1.2: (e)e=1.6 Fig-4 Microstructures of Steel 45 whose initial structure is martensite after warm deformation(600C,0.01s):(a)initial structure:(b) =0.4:(c)e=0.8:(d)e=1.2;(e)e=1.6 2.2分析讨论 当初始组织为珠光体十铁素体（图2(a))的中 2.2.1珠光体温变形过程中组织球化以及碳的 碳钢在600和650℃变形时，大部分晶粒发生了动 析出 态回复，能清楚地看到铁素体晶粒内的亚晶（如
体初始组织图4（b）为应变量 ε＝0∙4时的温变形 组织．可以看出由于较低应变量形成的位错密度 相对较低变形持续时间也较短所以渗碳体的析出 量不是很大铁素体再结晶也不很明显整体还是保 持着板条马氏体形貌铁素体基体内出现亚晶析出 的渗碳体形貌不规则有较多的细棒状和椭圆状渗 碳体出现即碳原子在能量条件有利的地方如三叉 界以及铁素体晶界处以渗碳体颗粒形式析出同时 在铁素体基体上也有粒径约50nm 的细小球状渗碳 体弥散析出．变形量加大到ε＝0∙8时（图4（c））得 到尺寸在0∙6μm 左右的细小铁素体晶粒可以较明 显区分晶界细棒状和椭圆状渗碳体同时存在细小 渗碳体颗粒在铁素体晶粒内弥散析出．ε＝1∙2时 （图4（d））铁素体基本上已经等轴化晶界明显晶 粒尺寸约为0∙6μm晶界处的渗碳体大部分已经球 化只有少部分呈椭圆状但铁素体中析出的渗碳体 的数量有所减少平均尺寸略有增大．当变形量 ε 增大到1∙6（图4（e））得到平均尺寸为0∙67μm 的 细小铁素体晶粒铁素体晶界上分布着球状、椭圆 状平均大小为275nm 的渗碳体颗粒相对 ε＝1∙2 时有所粗化；另外在铁素体晶粒中弥散分布着平均 尺寸约为80nm 的球状渗碳体即析出的渗碳体呈 双峰分布见图3（b）．获得细小铁素体晶粒和颗粒 状渗碳体弥散分布的复相组织均匀性较好． 图4 初始组织为马氏体的45钢在600℃和 ε ·＝0∙01s —1温变形后的显微组织形貌．（a） 初始组织；（b） ε＝0∙4；（c） ε＝0∙8；（d） ε＝1∙2； （e） ε＝1∙6 Fig．4 Microstructures of Steel45whose initial structure is martensite after warm deformation （600℃ε ·＝0∙01s —1）：（a） initial structure；（b） ε ＝0∙4；（c） ε＝0∙8；（d） ε＝1∙2；（e） ε＝1∙6 2∙2 分析讨论 2∙2∙1 珠光体温变形过程中组织球化以及碳的 析出 当初始组织为珠光体＋铁素体（图2（a））的中 碳钢在600和650℃变形时大部分晶粒发生了动 态回复能清楚地看到铁素体晶粒内的亚晶（如 第4期 谭洪锋等： 初始组织形态对中碳钢温变形组织演变的影响 ·371·
.372 北京科技大学学报 第30卷 图2(b),亚晶大小约为3~4m),晶粒形状由等轴 动更多的滑移系，产生更多的位错，这些高密度的位 型变成了长条形，与珠光体呈层状分布，少部分晶粒 错随着变形量的增大会促进亚结构的发展，如图5 发生了再结晶，成为细小的等轴型晶粒.随着变形 (a),先共析铁素体内的高密度位错已经发生缠绕 量的增大，发生动态回复和动态再结晶的体积分数 随着应变的继续，畸变能的累积使高密度的位错发 增大，铁素体平均晶粒尺寸减小，平均约为1.4m, 生缠结，形成位错胞；当应变进一步增加时，畸变能 如图2(d)·这是由于进一步的变形，晶粒内部位错 的提高使位错发生攀移和交滑移，形成位错墙。由 密度提高，由于珠光体团的硬度比铁素体高，在珠光 位错胞状结构发展成取向差为小角度的亚晶粒，亚 体团与铁素体晶粒交界处产生不均匀变形，导致铁 晶界由位错墙组成，随着形变的继续，亚晶通过转 素体局部的高畸变能以及高的应变梯度)，为了协 动粗化，晶粒间取向差逐渐增大，形成新的细小晶 调变形，铁素体晶粒在珠光体团周围的区域内要开 粒，见图5(b) (a) (b) 250nm 200nm 图5初始组织为珠光体十先共析铁素体的45钢在650℃、0.1s-时变形组织的TEM照片.(a)e=0.4:(b)e=0.8 Fig-5 TEM micrographs of Steel 45 whose initial structure is pearlite+ferrite after warm deformation (650C.=0.1s):(a)=0.4:(b) E=0.8 渗碳体片的球化过程中，碳正是沿着晶界、相界 析出.伴随着渗碳体的再次析出和长大，颗粒状渗 以及缺陷（如位错、空位等）等易扩散通道进行扩散， 碳体在铁素体基体上的分布更加弥散， 在小曲率半径片层附近的铁素体平衡碳浓度比大曲 因此初始组织为珠光体十铁素体的中碳钢在温 率半径片层附近的铁素体平衡碳浓度要高可.而经 变形过程中主要经历了以下过程：珠光体团中的渗 受变形的珠光体产生了数目众多的小曲率半径片层 碳体层片发生弯折，渗碳体的部分溶解和逐渐球化； 扭折（如图2(b)),因此靠近扭折的铁素体平衡碳浓 先共析铁素体及珠光体中的铁素体随着变形量的增 度要比靠近片层扁平处的铁素体平衡碳浓度高得 大，逐渐发生动态回复和动态再结晶；与此同时伴随 多，并且形变的过程中产生了高密度的位错和大量 着过饱和铁素体中球形渗碳体颗粒的析出及球形渗 空位，促进碳的扩散，导致扭折片层的快速溶解和相 碳体颗粒的长大以及粗化， 应的在片层扁平处的富碳，这种碳浓度的差异引起 2.2,2马氏体温变形过程中碳的析出以及铁素体 碳的扩散，打破了铁素体中碳浓度与界面形状的平 的动态回复再结晶 衡关系，促使渗碳体尖角部的溶解和平坦部位的长 由于材料中碳化物的析出取决于基体处于碳的 大(Ostwald熟化)[⑧]，扭折的短棒状渗碳体逐渐球 过饱和状态和碳原子有足够的扩散能力，两者均与 化，随着碳原子扩散，在合适位置以界面能最小的球 组织所处的温度和变形状态有关0).在加热到 形渗碳体颗粒形式析出 600℃进行变形，变形与马氏体分解同时进行，变形 同时，形变过程中，部分渗碳体溶解后碳的扩散 引入的位错显著促进马氏体的分解过程；由于热激 造成基体内碳的浓度梯度，碳原子从原珠光体团位 活作用，碳原子以渗碳体形式析出；随着应变量的增 置扩散到无渗碳体的先共析铁素体区域，又促进了 大，在渗碳体发生Ostwald熟化的同时，经历变形的 碳的扩散和其在铁素体内的析出，如图2(d)所示， 铁素体发生动态再结晶过程，形成细小等轴的铁素 在铁素体晶粒内，有大量颗粒大小为105nm左右的 体晶粒（图4(b一e) 小粒子析出，Shin等9认为溶解的碳原子很可能沿 马氏体分解成为铁素体十渗碳体双相组织后， 位错中心和非平衡晶界扩散，最后作为渗碳体颗粒 其高密度位错亚结构由铁素体基体继承，提供铁素
图2（b）亚晶大小约为3～4μm）晶粒形状由等轴 型变成了长条形与珠光体呈层状分布少部分晶粒 发生了再结晶成为细小的等轴型晶粒．随着变形 量的增大发生动态回复和动态再结晶的体积分数 增大铁素体平均晶粒尺寸减小平均约为1∙4μm 如图2（d）．这是由于进一步的变形晶粒内部位错 密度提高由于珠光体团的硬度比铁素体高在珠光 体团与铁素体晶粒交界处产生不均匀变形导致铁 素体局部的高畸变能以及高的应变梯度［7］．为了协 调变形铁素体晶粒在珠光体团周围的区域内要开 动更多的滑移系产生更多的位错这些高密度的位 错随着变形量的增大会促进亚结构的发展如图5 （a）先共析铁素体内的高密度位错已经发生缠绕． 随着应变的继续畸变能的累积使高密度的位错发 生缠结形成位错胞；当应变进一步增加时畸变能 的提高使位错发生攀移和交滑移形成位错墙．由 位错胞状结构发展成取向差为小角度的亚晶粒亚 晶界由位错墙组成．随着形变的继续亚晶通过转 动粗化晶粒间取向差逐渐增大形成新的细小晶 粒见图5（b）． 图5 初始组织为珠光体＋先共析铁素体的45钢在650℃、0∙1s —1时变形组织的 TEM 照片．（a） ε＝0∙4；（b） ε＝0∙8 Fig．5 TEM micrographs of Steel45whose initial structure is pearlite＋ ferrite after warm deformation （650℃ε ·＝0∙1s —1）：（a） ε＝0∙4；（b） ε＝0∙8 渗碳体片的球化过程中碳正是沿着晶界、相界 以及缺陷（如位错、空位等）等易扩散通道进行扩散． 在小曲率半径片层附近的铁素体平衡碳浓度比大曲 率半径片层附近的铁素体平衡碳浓度要高［6］．而经 受变形的珠光体产生了数目众多的小曲率半径片层 扭折（如图2（b））因此靠近扭折的铁素体平衡碳浓 度要比靠近片层扁平处的铁素体平衡碳浓度高得 多．并且形变的过程中产生了高密度的位错和大量 空位促进碳的扩散导致扭折片层的快速溶解和相 应的在片层扁平处的富碳．这种碳浓度的差异引起 碳的扩散打破了铁素体中碳浓度与界面形状的平 衡关系促使渗碳体尖角部的溶解和平坦部位的长 大（Ostwald 熟化） ［8］扭折的短棒状渗碳体逐渐球 化随着碳原子扩散在合适位置以界面能最小的球 形渗碳体颗粒形式析出． 同时形变过程中部分渗碳体溶解后碳的扩散 造成基体内碳的浓度梯度碳原子从原珠光体团位 置扩散到无渗碳体的先共析铁素体区域又促进了 碳的扩散和其在铁素体内的析出．如图2（d）所示 在铁素体晶粒内有大量颗粒大小为105nm 左右的 小粒子析出Shin 等［9］认为溶解的碳原子很可能沿 位错中心和非平衡晶界扩散最后作为渗碳体颗粒 析出．伴随着渗碳体的再次析出和长大颗粒状渗 碳体在铁素体基体上的分布更加弥散． 因此初始组织为珠光体＋铁素体的中碳钢在温 变形过程中主要经历了以下过程：珠光体团中的渗 碳体层片发生弯折渗碳体的部分溶解和逐渐球化； 先共析铁素体及珠光体中的铁素体随着变形量的增 大逐渐发生动态回复和动态再结晶；与此同时伴随 着过饱和铁素体中球形渗碳体颗粒的析出及球形渗 碳体颗粒的长大以及粗化． 2∙2∙2 马氏体温变形过程中碳的析出以及铁素体 的动态回复再结晶 由于材料中碳化物的析出取决于基体处于碳的 过饱和状态和碳原子有足够的扩散能力两者均与 组织所处的温度和变形状态有关［10］．在加热到 600℃进行变形变形与马氏体分解同时进行变形 引入的位错显著促进马氏体的分解过程；由于热激 活作用碳原子以渗碳体形式析出；随着应变量的增 大在渗碳体发生 Ostwald 熟化的同时经历变形的 铁素体发生动态再结晶过程形成细小等轴的铁素 体晶粒（图4（b—e））． 马氏体分解成为铁素体＋渗碳体双相组织后 其高密度位错亚结构由铁素体基体继承提供铁素 ·372· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第4期 潭洪锋等：初始组织形态对中碳钢温变形组织演变的影响 .373. 体回复和再结晶的驱动力，压缩变形可以大大增加 变温度和形变速率下(600℃，0.01s1),初始组织 金属中的缺陷密度（主要是位错）并改变各种晶体缺 为珠光体十先共析铁素体的试样温变形在e=1.2 陷的分布.，强烈的交滑移使许多马氏体束内形成了 时，变形后组织的均匀性较差，主要表现为存在着一 微剪切带，在空间上分割、破碎了板条晶，而且马氏 些尚未完全等轴化的带状组织，即使在某些已经完 体板条晶内部的新增位错会被碳原子钉扎，从而使 成等轴化的区域，渗碳体的分布也较不均匀，形变 板条内的位错密度进一步增加).位错大量增殖， 量加大到c=1.6后，铁素体基本上已经等轴化了， 势必能够提供更多的碳化物形核位置和碳原子扩散 铁素体晶粒大小平均为1.4m,上述不均匀分布现 通道，因而在铁素体基体上有大量的渗碳体析出，如 象依然存在.而马氏体温变形中，当e=1.2时（如 图4(b),有较多的细棒状和椭圆状渗碳体在能量条 图3(c),铁素体基体就已经完全等轴化了，晶粒大 件有利的地方如三叉界以及铁素体晶界处以渗碳体 小统计平均约为0.67m,等轴铁素体和颗粒状渗 颗粒形式析出，同时在铁素体基体上也有粒径约50 碳体分布均匀，即初始组织结构不同，形成等轴均 nm的细小球状渗碳体弥散析出（图4(c))·随着应 匀的铁素体晶粒和细小颗粒状渗碳体弥散分布的复 变量的增大，渗碳体发生Ostwald熟化，使得晶界等 相组织所需的应变量也不相同，单一的马氏体组织 缺陷处的渗碳体颗粒逐渐球化长大，铁素体内的细 比两相交替分布的片层组织更有利于上述组织的 小渗碳体数量减少，尺寸有所增大，变形产生的大 形成 量位错促进渗碳体析出的同时，又进一步增加了铁 素体回复与再结晶的驱动力，使铁素体再结晶晶粒 4结论 较快生成（图4(d),析出的渗碳体颗粒同时又对铁 (1)本研究中两种不同初始组织的中碳钢在 素体再结晶晶粒钉扎，阻碍晶粒长大从而得到微米 600℃、形变速率为0.01s进行变形，都可获得微 级等轴铁素体晶粒和颗粒状渗碳体弥散分布的复相 米级等轴铁素体晶粒和颗粒状渗碳体弥散分布的复 组织， 相组织. 因此，对初始组织为板条马氏体的中碳钢而言， (2)初始组织为珠光体十铁素体时，温变形过 温变形促进了它的分解，整个温变形组织演变是渗 程的组织演变主要经历了以下过程：珠光体团中的 碳体颗粒析出一球化一熟化的同时伴随着铁素体的 渗碳体层片发生弯折，渗碳体的部分溶解和逐渐球 动态回复与再结晶的过程 化；先共析铁素体及珠光体中的铁素体随着变形量 3两种不同初始组织温加工变形后的对比 的增大，逐渐发生动态回复和动态再结晶；与此同时 分析 伴随着过饱和铁素体中球形渗碳体颗粒的析出、长 大以及粗化，但等轴状铁素体与弥散的渗碳体沿变 从碳的分布来看，初始组织为珠光体十先共析 形方向呈带状分布， 铁素体的中碳钢在A1点以下进行变形，并未发生 (③)初始组织为马氏体时，马氏体作为碳的过 相变.随变形量的加大，渗碳体层片发生扭折，部分 饱和固溶体，碳的分布在微观尺度下相对均匀，温变 溶解，逐渐球化，同时铁素体中碳原子随渗碳体的部 形促进马氏体的分解，整个温变形过程的组织演变 分溶解以及碳的扩散造成了基体内碳存在浓度梯 是渗碳体颗粒析出一球化一熟化的同时伴随着铁素 度，呈现过饱和，从过饱和的铁素体中析出球形渗碳 体的动态回复与再结晶的过程，细小弥散的渗碳体 体颗粒，并逐渐长大以及粗化，但在先共析铁素体 析出相与亚微米级的等轴铁素体分布较均匀. 区域，由于碳浓度低于原来珠光体区域，因而变形后 (4)初始组织结构不同，形成等轴均匀的铁素 仍然可以从显微组织的扫描照片中看出，铁素体晶 体晶粒和细小颗粒状渗碳体弥散分布的复相组织所 界以及铁素体晶品粒内的渗碳体颗粒数量少于珠光体 需的应变量也不相同，单一的马氏体组织比两相交 区域，显微组织呈现带状结构，即从整个宏观组织来 替分布的片层组织更有利于上述组织的形成， 看，可以得到细小的铁素体晶粒及球化的渗碳体颗 粒，但分布并不均匀 参考文献 初始组织为马氏体时，由于初始条件下碳的分 [1]Torizuka S,Omori A.Narayana M S V S.et al.Effect of strain on 布在微观尺度下相对均匀，变形后获得细小等轴铁 the microstructure and mechanical properties of multipass warm caliber rolled low carbon steel.Seripta Mater.2006.54:563 素体与均匀分布颗粒状渗碳体的复相组织 (下转第390页) 从两者不同的初始组织的影响来看，在同一形
体回复和再结晶的驱动力．压缩变形可以大大增加 金属中的缺陷密度（主要是位错）并改变各种晶体缺 陷的分布．强烈的交滑移使许多马氏体束内形成了 微剪切带在空间上分割、破碎了板条晶而且马氏 体板条晶内部的新增位错会被碳原子钉扎从而使 板条内的位错密度进一步增加［11］．位错大量增殖 势必能够提供更多的碳化物形核位置和碳原子扩散 通道因而在铁素体基体上有大量的渗碳体析出如 图4（b）有较多的细棒状和椭圆状渗碳体在能量条 件有利的地方如三叉界以及铁素体晶界处以渗碳体 颗粒形式析出同时在铁素体基体上也有粒径约50 nm 的细小球状渗碳体弥散析出（图4（c））．随着应 变量的增大渗碳体发生 Ostwald 熟化使得晶界等 缺陷处的渗碳体颗粒逐渐球化长大铁素体内的细 小渗碳体数量减少尺寸有所增大．变形产生的大 量位错促进渗碳体析出的同时又进一步增加了铁 素体回复与再结晶的驱动力使铁素体再结晶晶粒 较快生成（图4（d））析出的渗碳体颗粒同时又对铁 素体再结晶晶粒钉扎阻碍晶粒长大从而得到微米 级等轴铁素体晶粒和颗粒状渗碳体弥散分布的复相 组织． 因此对初始组织为板条马氏体的中碳钢而言 温变形促进了它的分解整个温变形组织演变是渗 碳体颗粒析出—球化—熟化的同时伴随着铁素体的 动态回复与再结晶的过程． 3 两种不同初始组织温加工变形后的对比 分析 从碳的分布来看初始组织为珠光体＋先共析 铁素体的中碳钢在 Ac1点以下进行变形并未发生 相变．随变形量的加大渗碳体层片发生扭折部分 溶解逐渐球化同时铁素体中碳原子随渗碳体的部 分溶解以及碳的扩散造成了基体内碳存在浓度梯 度呈现过饱和从过饱和的铁素体中析出球形渗碳 体颗粒并逐渐长大以及粗化．但在先共析铁素体 区域由于碳浓度低于原来珠光体区域因而变形后 仍然可以从显微组织的扫描照片中看出铁素体晶 界以及铁素体晶粒内的渗碳体颗粒数量少于珠光体 区域显微组织呈现带状结构即从整个宏观组织来 看可以得到细小的铁素体晶粒及球化的渗碳体颗 粒但分布并不均匀． 初始组织为马氏体时由于初始条件下碳的分 布在微观尺度下相对均匀变形后获得细小等轴铁 素体与均匀分布颗粒状渗碳体的复相组织． 从两者不同的初始组织的影响来看在同一形 变温度和形变速率下（600℃0∙01s —1）初始组织 为珠光体＋先共析铁素体的试样温变形在 ε＝1∙2 时变形后组织的均匀性较差主要表现为存在着一 些尚未完全等轴化的带状组织．即使在某些已经完 成等轴化的区域渗碳体的分布也较不均匀．形变 量加大到ε＝1∙6后铁素体基本上已经等轴化了 铁素体晶粒大小平均为1∙4μm上述不均匀分布现 象依然存在．而马氏体温变形中当 ε＝1∙2时（如 图3（c））铁素体基体就已经完全等轴化了晶粒大 小统计平均约为0∙67μm等轴铁素体和颗粒状渗 碳体分布均匀．即初始组织结构不同形成等轴均 匀的铁素体晶粒和细小颗粒状渗碳体弥散分布的复 相组织所需的应变量也不相同单一的马氏体组织 比两相交替分布的片层组织更有利于上述组织的 形成． 4 结论 （1） 本研究中两种不同初始组织的中碳钢在 600℃、形变速率为0∙01s —1进行变形都可获得微 米级等轴铁素体晶粒和颗粒状渗碳体弥散分布的复 相组织． （2） 初始组织为珠光体＋铁素体时温变形过 程的组织演变主要经历了以下过程：珠光体团中的 渗碳体层片发生弯折渗碳体的部分溶解和逐渐球 化；先共析铁素体及珠光体中的铁素体随着变形量 的增大逐渐发生动态回复和动态再结晶；与此同时 伴随着过饱和铁素体中球形渗碳体颗粒的析出、长 大以及粗化．但等轴状铁素体与弥散的渗碳体沿变 形方向呈带状分布． （3） 初始组织为马氏体时马氏体作为碳的过 饱和固溶体碳的分布在微观尺度下相对均匀温变 形促进马氏体的分解整个温变形过程的组织演变 是渗碳体颗粒析出—球化—熟化的同时伴随着铁素 体的动态回复与再结晶的过程．细小弥散的渗碳体 析出相与亚微米级的等轴铁素体分布较均匀． （4） 初始组织结构不同形成等轴均匀的铁素 体晶粒和细小颗粒状渗碳体弥散分布的复相组织所 需的应变量也不相同单一的马氏体组织比两相交 替分布的片层组织更有利于上述组织的形成． 参 考 文 献 ［1］ Torizuka SOmori ANarayana M S V Set al．Effect of strain on the microstructure and mechanical properties of mult-i pass warm caliber rolled low carbon steel．Scripta Mater200654：563 （下转第390页） 第4期 谭洪锋等： 初始组织形态对中碳钢温变形组织演变的影响 ·373·
.390 北京科技大学学报 第30卷 (于慧臣，孙燕国，谢世殊，等，不锈钢在扭转/拉伸复合载荷 [16]Center of Equipment Failure Analysis of the Ministry of Aero- 下的低周疲劳裂纹扩展.金属学报，2005,41(1)：73) nautic and Astronautics of China.Analysis and Spectra of Frac- [14]Liu LL.Wang J G.Stress"strain field FEM analysis for ture Surfaces of Metallic Materials.Beijing:Science Press, CH4169 notched specimens under multiaxial loading Phys Ex- 1991,32 amination Test,2005.23(3):11 (航空航天工业部航空装备失效分析中心，金属材料断口分 (刘灵灵，王建国.GH169缺口件多轴加载下应力应变场的 析及图谱.北京：科学出版社，1991：32) 有限元分析.物理测试，2005,23(3)：11) [17]Yang Y R.Liang X F,Shen B.Macrostructure and fatigue [15]Yao J.Quo JT,Yuan C,et al.Low cycle fatigue behavior of property of GH4169 superalloy under bend loading at high tem cast nickel base superalloy K52.Acta Metall Sin.2005,41(4): perature.Acta Metall Sin.1995.31(Suppl 1):$35 357 (杨玉荣，梁学蜂，沈飚.GH4169合金高温旋转弯曲瘦劳性能 (姚俊，郭建亭，袁超，等.铸造镍基高温合金K52的低周疲劳 及其组织形态分析.金属学报，1995,31（增刊1）：s35) 行为.金属学报，2005,41(4)：357) (上接第373页) 动态再结晶·金属学报，2003,39(7)：691) [2]Siamak S.Serrated flow during warm forming of low carbon [8]Hung J X.Wang JT,Zhang Z.Equal channel angular processing steels.Mater Lett.2003.57:4515 in a pearlitic structured steel.Chin J Mater Res,2005.19(2): [3]Akbari G H.Sellars C M,Whiteman J A.Microstructural devel- 200 opment during warm rolling of an IF steel.Acta Mater.1997.45 (黄俊霞，王经涛，张郑.珠光体组织的等径弯曲通道变形.材 (12).5047 料研究学报，2005,19(2)：200) [4]Timokhina I B.Nosenkov A I,Humphreys A O.et al.Effect of [9]Shin D H.Kim Y S.Lavernia E J.Formation of fine cementite alloying elements on the microst ructure and texture of warm rolled precipitates by static annealing of equal channel angular pressed steels.ISIJ Int.2004,717 low carbon steels.Acta Mater,2001.49:2387 [5]Storojeva L.Kaspar R.Ponge D.Effect of heavy warm deforma- [10]Li W J,Liu C Q.Influence of deformation on precipitation of tion on microstructure and mechanical properties of a medium car carbide in low carbon steel.Mater Mech Eng:2004.28(4):7 bon ferritie pearlitic steel.ISIJ Int,2004.44(7):1211 (李维娟，柳翠琴.形变对低碳钢中碳化物析出的影响.机械 [6]Storojeva L,Ponge D.Kaspar R.et al.Development of mi 工程材料，2004,28(4)：7) crostructure and texture of medium carbon steel during heavy [11]Zhao X.Jing T F.Gao J W,et al.Grain refining mechanism of warm deformation.Acta Mater.2004.52:2209 severe rolling to lath martensite.J Iron Steel Res.2004.16(6): [7]Yang W Y.Wang H M.Li L F.Dynamic reerystallization of fer- 69 rite in a low carbon steel with different minor microstructures. (赵新，荆天辅，高聿为，等.板条马氏体大变形轧制工艺的晶 Acta Metall Sin.2003.39(7):691 粒细化机制.钢铁研究学报，2004,16(6)：69) (杨王玥，王洪梅，李龙飞·不同形态第二组织低碳钢的铁素体
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