D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.06.017 第30卷第6期 北京科技大学学报 Vol.30 No.6 2008年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2008 共析钢温变形过程的组织球化与超细化 刘涛)杨王)陈国安) 张湘义) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)燕山大学材料科学与工程学院，秦皇岛066004 摘要利用热模拟压缩变形、SEM和热磁法实验，研究了共析钢在600~700℃变形过程的组织演变规律，探讨了变形及随 后保温过程对珠光体球化、组织超细化和渗碳体溶解、再析出的影响：实验表明：共析钢温变形过程中发生珠光体片层溶断， 渗碳体逐渐球化，以及伴随铁素体动态回复再结晶的同时细小弥散渗碳体颗粒在基体析出的过程·提高温度有利于上述复合 过程的进行，形变组织经过保温后，亚微米级别的等轴铁素体晶粒和渗碳体颗粒弥散分布的复相组织的均匀性程度有所提 高·温变形过程中渗碳体溶解和在铁素体内再析出的事实得到证实 关键词共析钢：温变形：珠光体球化：渗碳体分解；铁素体 分类号TG142.1 Spheroidizing and ultra-refining of structure in eutectoid steel during warm defor- mation LIU Tao.YANG Wangyue,CHEN Guoan).ZHA NG Xiangyi) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)School of Materials Science and Engineering.Yanshan University.Qinhuangdao 066004.China ABSTRACI Microstructure evolution in eutectoid steel during warm deformation in the temperature range from 600 to 700C was investigated by simulating hot compression test,SEM and thermomagnetic measurement.The effects of deformation and subsequent annealing on the spheroidizing of pearlite,refining of microstructure and dissolution of cementite were studied.The experimental re- sults indicated that during warm deformation of eutectoid steel.pearlite lamellas fractured.cementite gradually spheroidized,and dy- namic recovery and reerystallization of ferrite took place with fine dispersive cementite particles being precipitated.An increase in de- formation temperature enhanced the above processes.Following annealing,the microstructure consisting of submicron-scale equiaxed ferritic grains and dispersive cementite particles became more homogeneous.Partial dissolution and re-precipitation of cementite during warm deformation were confirmed. KEY WORDS eutectoid steel:warm deformation:pearlite spheroidization:cementite decomposing:ferrite 共析钢可以理解为一种铁素体和渗碳体的复合 光体片层间距，在随后的退火过程中形成球化渗碳 材料.对于以珠光体为主要微观组织的高碳钢，片 体，抑制铁素体长大，这一工艺优点是得到的组织 层结构不适合后续的冷加工或者应用于对性能要求 具有高的强度和良好的塑性，缺点是冷轧的形变抗 比较高的构件，在使用前要求进行珠光体球化处理， 力比较大，对设备轧制能力要求较高·本文通过适 传统的高碳钢球化的方法是长时间的球化退火山， 当提高形变温度，研究了共析钢温变形过程中铁素 工艺控制比较困难，浪费大量能源；而且球化效果不 体等轴化及渗碳体球化超细化的演变过程，以期得 理想，晶粒尺寸较大，达不到组织细化的要求，近年 到在细小铁素体晶粒母相中均匀分布细小的渗碳体 来发展了冷轧后退火工艺，是通过冷轧细化珠 颗粒组织，在强韧化的同时有效地提高材料的加工 硬化能力 收稿日期：2007-04-20修回日期：2007-05-17 基金项目：国家自然科学基金资助项目(Na.50471092) 1实验方法 作者简介：刘涛(1981一)男：硕士研究生：杨王玥(1946一)，女， 教授，博士生导师，E-mail:wyyang@mater~.ustb.edu~cn 实验材料为商用T8钢，主要成分为Fe0.84C一 0.13Mn0.20Si-0.004s-0.005P0.08Ni-0.10cr
共析钢温变形过程的组织球化与超细化 刘 涛1） 杨王 1） 陈国安1） 张湘义2） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 燕山大学材料科学与工程学院秦皇岛066004 摘 要 利用热模拟压缩变形、SEM 和热磁法实验研究了共析钢在600～700℃变形过程的组织演变规律探讨了变形及随 后保温过程对珠光体球化、组织超细化和渗碳体溶解、再析出的影响．实验表明：共析钢温变形过程中发生珠光体片层溶断 渗碳体逐渐球化以及伴随铁素体动态回复再结晶的同时细小弥散渗碳体颗粒在基体析出的过程．提高温度有利于上述复合 过程的进行．形变组织经过保温后亚微米级别的等轴铁素体晶粒和渗碳体颗粒弥散分布的复相组织的均匀性程度有所提 高．温变形过程中渗碳体溶解和在铁素体内再析出的事实得到证实． 关键词 共析钢；温变形；珠光体球化；渗碳体分解；铁素体 分类号 TG142∙1 Spheroidizing and ultra-refining of structure in eutectoid steel during warm deformation LIU T ao 1）Y A NG W angyue 1）CHEN Guoan 1）ZHA NG Xiangyi 2） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） School of Materials Science and EngineeringYanshan UniversityQinhuangdao066004China ABSTRACT Microstructure evolution in eutectoid steel during warm deformation in the temperature range from 600to 700℃ was investigated by simulating hot compression testSEM and thermomagnetic measurement．T he effects of deformation and subsequent annealing on the spheroidizing of pearliterefining of microstructure and dissolution of cementite were studied．T he experimental results indicated that during warm deformation of eutectoid steelpearlite lamellas fracturedcementite gradually spheroidizedand dynamic recovery and recrystallization of ferrite took place with fine dispersive cementite particles being precipitated．An increase in deformation temperature enhanced the above processes．Following annealingthe microstructure consisting of submicron－scale equiaxed ferritic grains and dispersive cementite particles became more homogeneous．Partial dissolution and re-precipitation of cementite during warm deformation were confirmed． KEY WORDS eutectoid steel；warm deformation；pearlite spheroidization；cementite decomposing；ferrite 收稿日期：2007-04-20 修回日期：2007-05-17 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50471092） 作者简介：刘 涛（1981－）男硕士研究生；杨王 （1946－）女 教授博士生导师E-mail：wyyang＠mater．ustb．edu．cn 共析钢可以理解为一种铁素体和渗碳体的复合 材料．对于以珠光体为主要微观组织的高碳钢片 层结构不适合后续的冷加工或者应用于对性能要求 比较高的构件在使用前要求进行珠光体球化处理． 传统的高碳钢球化的方法是长时间的球化退火［1］ 工艺控制比较困难浪费大量能源；而且球化效果不 理想晶粒尺寸较大达不到组织细化的要求．近年 来发展了冷轧后退火工艺［2－4］是通过冷轧细化珠 光体片层间距在随后的退火过程中形成球化渗碳 体抑制铁素体长大．这一工艺优点是得到的组织 具有高的强度和良好的塑性缺点是冷轧的形变抗 力比较大对设备轧制能力要求较高．本文通过适 当提高形变温度研究了共析钢温变形过程中铁素 体等轴化及渗碳体球化超细化的演变过程以期得 到在细小铁素体晶粒母相中均匀分布细小的渗碳体 颗粒组织在强韧化的同时有效地提高材料的加工 硬化能力． 1 实验方法 实验材料为商用 T8钢主要成分为 Fe－0∙84C－ 0∙13Mn－0∙20Si－0∙004S－0∙005P－0∙08Ni－0∙10Cr 第30卷 第6期 2008年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．6 Jun．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．06．017
第6期 刘涛等：共析钢温变形过程的组织球化与超细化 605 (质量分数，%).5cm钢料圆棒在1070℃保温1h, 2实验结果及讨论 在1050和850℃间锻造后正火，随后加工成 6mm×15mm的圆柱试样，原始组织为普通的片层 2.1共析钢温变形过程中的组织演变规律 珠光体（图1）·单向压缩实验在Gleeeble1500热模 试样在1000℃奥氏体化5min后冷却到500℃ 拟机上进行. 完成相变，图1所示为T8钢原始珠光体形貌，此时 珠光体片层间距为0.1m左右 图2为T8钢试样在600℃形变时的组织演变 过程，随着应变量增加，珠光体发生变形，部分渗碳 体片层发生弯折和溶断.由于片层取向不同，溶断 的程度也不同，平行于试样端面，即垂直于压缩方 向上片层溶断的程度比较小，溶断后的渗碳体片层 2m 的长度较长，工程应变30%时（图2(a),组织中还 是以比较完整的片层结构为主，在原来的珠光体团 图1共析钢形变前原始珠光体片层组织形貌 的晶界，特别是三叉晶界位置，出现少量细小的渗碳 Fig-I Microstructure of initial pearlite lamellas without deformation 体颗粒.当形变量增加到50%时，如图2(b)所示， 试样升温至1000℃奥氏体化后保温5mim后， 得到三种不同的组织：其一是溶断的珠光体片层结 以10℃s-1的速率冷却至500℃，保温5min确保 构，此时片层的取向基本上垂直于压缩方向，片层间 相变完成得到珠光体，随后在不同温度以不同应变 距明显缩小，平均为70nm左右；其二是棒状的渗碳 速率形变，形变后淬火或者保温一定时间后淬火· 体，取向同样平行于试样径向：还有部分渗碳体颗 用线切割将试样沿中心轴向剖开，3%~4%硝酸酒 粒，并出现少量铁素体晶界，可以明显地看见渗碳 精侵蚀后在$EM上观察其微观组织形貌 体颗粒有两种形态：一种是粗大的不规则渗碳体颗 形变试样用线切割制成3mmX2mm×0.3mm 粒，分布在铁素体晶界上，尺寸大约是150nm左右； 薄片，饱和磁化强度测定在VSM7400型振动样品 另一种是形状比较规则的细小球化渗碳体，主要分 磁强计上进行.外加磁场为0.5T,加热及冷却速率 布在铁素体基体上，其典型尺寸大约是50nm 为1Ks-1. 图2()是形变70%的组织，可以看见大部分组织已 200nm 20m 20 nm 图2在600℃，1s应变速率及不同形变量下共析钢的形变组织形貌.(a)30%;(b)50%;(c)70%；(d)80% Fig-2 Microstructures of eutectoid steel during different deformations at 600 C under a strain rate of 1s:(a)30%:(b)50%:(c)70% (d)80%
（质量分数％）．●5cm 钢料圆棒在1070℃保温1h 在1050 和 850℃ 间 锻 造 后 正 火随 后 加 工 成 ●6mm×15mm的圆柱试样原始组织为普通的片层 珠光体（图1）．单向压缩实验在 Gleeeble1500热模 拟机上进行． 图1 共析钢形变前原始珠光体片层组织形貌 Fig．1 Microstructure of initial pearlite lamellas without deformation 试样升温至1000℃奥氏体化后保温5min 后 以10℃·s －1的速率冷却至500℃保温5min 确保 相变完成得到珠光体随后在不同温度以不同应变 速率形变形变后淬火或者保温一定时间后淬火． 用线切割将试样沿中心轴向剖开3％～4％硝酸酒 精侵蚀后在 SEM 上观察其微观组织形貌． 形变试样用线切割制成3mm×2mm×0∙3mm 薄片饱和磁化强度测定在 VSM7400型振动样品 磁强计上进行．外加磁场为0∙5T加热及冷却速率 为1K·s －1． 2 实验结果及讨论 2∙1 共析钢温变形过程中的组织演变规律 试样在1000℃奥氏体化5min 后冷却到500℃ 完成相变图1所示为 T8钢原始珠光体形貌此时 珠光体片层间距为0∙1μm 左右． 图2为 T8钢试样在600℃形变时的组织演变 过程随着应变量增加珠光体发生变形部分渗碳 体片层发生弯折和溶断．由于片层取向不同溶断 的程度也不同．平行于试样端面即垂直于压缩方 向上片层溶断的程度比较小溶断后的渗碳体片层 的长度较长．工程应变30％时（图2（a））组织中还 是以比较完整的片层结构为主．在原来的珠光体团 的晶界特别是三叉晶界位置出现少量细小的渗碳 体颗粒．当形变量增加到50％时如图2（b）所示 得到三种不同的组织：其一是溶断的珠光体片层结 构此时片层的取向基本上垂直于压缩方向片层间 距明显缩小平均为70nm 左右；其二是棒状的渗碳 体取向同样平行于试样径向；还有部分渗碳体颗 粒并出现少量铁素体晶界．可以明显地看见渗碳 体颗粒有两种形态：一种是粗大的不规则渗碳体颗 粒分布在铁素体晶界上尺寸大约是150nm 左右； 另一种是形状比较规则的细小球化渗碳体主要分 布在铁素体基体上其典型尺寸大约是 50nm． 图2（c）是形变70％的组织可以看见大部分组织已 图2 在600℃、1s －1应变速率及不同形变量下共析钢的形变组织形貌．（a）30％；（b）50％；（c）70％；（d ）80％ Fig．2 Microstructures of eutectoid steel during different deformations at 600℃ under a strain rate of 1s －1：（a） 30％；（b） 50％；（c） 70％； （d）80％ 第6期 刘 涛等： 共析钢温变形过程的组织球化与超细化 ·605·
,606 北京科技大学学报 第30卷 经转化为不规则的粗大渗碳体颗粒和细小的球化渗 度变形的组织形貌比较，形变量达到80%时，渗碳 碳体颗粒.图2()是形变80%的组织，与图2(b)相 体片层已经转化成不规则的位于晶界处大颗粒渗碳 比，铁素体晶界略为明显，片层组织基本消失 体和晶内弥散分布的细小颗粒渗碳体，尺寸分布统 形变过程中使渗碳体片各处出现不同的曲率， 计表明：随着温度升高，渗碳体颗粒尺寸增大，大尺 根据Gibbs"一Thompson方程，在不同曲率半径的渗 寸渗碳体的形状更为规则，边界相对平滑；铁素体基 碳体附近，铁素体内平衡碳原子浓度有差异，这是导 体晶粒尺寸增大，晶界更加明显，晶粒尺寸较粗大， 致渗碳体加速球化的重要原因.在组织发生大的形 100 变后，珠光体片层严重变形和溶断，组织中出现大量 80F 形状复杂的渗碳体片层或者颗粒，渗碳体片层各处 。600℃ ◆-650℃ 的曲率有很大差别，导致各处铁素体中的平衡碳原 60 +-700℃ 子浓度差距增大，具有较大曲率半径处的渗碳体附 40 近铁素体中平衡碳原子浓度低于小曲率半径处的渗 碳体附近铁素体的平衡碳原子浓度，导致具有小曲 20 率半径处的渗碳体不断分解，通过碳原子扩散向大 20 40 60 80 曲率半径渗碳体位置沉积可].与传统的球化退火工 形变量% 艺相比较，温变形使共析钢球化动力学明显加快， 另一方面，形变使组织中引入大量空位或者位 图3共析钢在1：应变速率、不同温度下渗碳体球化百分比和 形变量的关系 错等晶体学缺陷，形成碳原子扩散的高扩散率通道， Fig.3 Relationship between the volume fraction of spheroidized ce- 有效加速小曲率半径处渗碳体溶解同时也促进了大 mentite and the strain of eutectoid steel during deformation under the 曲率半径处渗碳体附近的沉积，使渗碳体颗粒不断 strain rate of 1s at different temperatures 趋于球形，铁素体基体中的晶界或亚晶界也可以成 为促进碳原子扩散的因素，在这些位置的渗碳体颗 2.3温变形后保温过程中的组织演变 粒具有更大的优势发生球化和长大)，另外，溶 图5为1s-1应变速率、650℃、形变80%、保温 解渗碳体的碳原子在铁素体中过饱和，当组织发生 一定时间后的形貌，在保温过程中组织主要发生两 回复，位错密度下降时，重新在铁素体基体中析出， 种变化，随着时间延长，渗碳体颗粒不断长大，特别 形成弥散细小的渗碳体颗粒并不断长大，由于珠光 是位于（亚）晶界位置的大尺寸渗碳体颗粒，在保温 体片层的取向不同，形变时其应力状态不同，这将导 30s的组织中其形状不规则，保温1min后的组织， 致片层弯曲的程度有差异，所以不同取向片层的溶 颗粒形状明显规则，边界更为平滑，保温5min后明 断和球化进程各不相同；但是随着形变量增大，最终 显长大，此处统计尺寸为20nm以上的渗碳体颗粒 都将球化 尺寸分布，从其分布情况可以看出，渗碳体颗粒尺寸 2.2不同形变温度对组织演变的影响 呈现双峰分布.较短时间保温后（图5(a),(c),尺 比较600~700℃下形变的组织可以看到，随着 寸介于40到80nm的渗碳体颗粒大量存在，而分布 温度升高，相同应变量下渗碳体球化的百分比明显 在晶界位置的大尺寸晶粒相对较少，尺寸大约是 提高，即这一过程的动力学明显提前，图3为三个 150到200nm,保温时间较长的组织中（图5(e), 温度下渗碳体球化百分比与形变量的关系曲线，此 出现较多20nm左右的小颗粒（图5(e)中白色箭头 处定义长宽比例小于2：1的渗碳体颗粒是球化渗碳 所示)和220nm的大颗粒.造成这一现象的原因应 体.形变量为10%时，渗碳体都没有明显的溶断现 是Gibbs-一Thompson效应导致渗碳体颗粒发生熟 象.随着形变量增大，形变温度高的组织发生渗碳 化，部分大尺寸颗粒长大而部分基体中的小颗粒的 体溶断和球化的过程较快.比较形变量为50%的组 渗碳体溶解]，同时由于保温过程中组织的缺陷密 织，600℃时组织中主要还是弯曲和溶断的片层结 度下降，导致铁素体中的过饱和碳原子重新析出，形 构为主，而700℃时组织中已经较多地存在短棒形 成细小的渗碳体颗粒· 态和渗碳体颗粒组织，两个温度下渗碳体球化百分 另一方面，铁素体基体晶粒发生等轴化并且长 比有较大差距.形变量70%的时候，700℃时组织 大，定义试样受压缩方向（轴向）的晶粒尺寸为宽， 已经找不到片层结构渗碳体，650℃和600℃时组织 垂直于压缩方向（径向）的晶粒尺寸为长，保温30s 中还残留少量片层结构.图4为形变量80%不同温 的组织中，铁素体晶粒明显因形变被压缩成长条形
经转化为不规则的粗大渗碳体颗粒和细小的球化渗 碳体颗粒．图2（d）是形变80％的组织与图2（b）相 比铁素体晶界略为明显片层组织基本消失． 形变过程中使渗碳体片各处出现不同的曲率 根据 Gibbs－Thompson 方程在不同曲率半径的渗 碳体附近铁素体内平衡碳原子浓度有差异这是导 致渗碳体加速球化的重要原因．在组织发生大的形 变后珠光体片层严重变形和溶断组织中出现大量 形状复杂的渗碳体片层或者颗粒渗碳体片层各处 的曲率有很大差别导致各处铁素体中的平衡碳原 子浓度差距增大．具有较大曲率半径处的渗碳体附 近铁素体中平衡碳原子浓度低于小曲率半径处的渗 碳体附近铁素体的平衡碳原子浓度导致具有小曲 率半径处的渗碳体不断分解通过碳原子扩散向大 曲率半径渗碳体位置沉积［5］．与传统的球化退火工 艺相比较温变形使共析钢球化动力学明显加快． 另一方面形变使组织中引入大量空位或者位 错等晶体学缺陷形成碳原子扩散的高扩散率通道 有效加速小曲率半径处渗碳体溶解同时也促进了大 曲率半径处渗碳体附近的沉积使渗碳体颗粒不断 趋于球形．铁素体基体中的晶界或亚晶界也可以成 为促进碳原子扩散的因素在这些位置的渗碳体颗 粒具有更大的优势发生球化和长大［5－7］．另外溶 解渗碳体的碳原子在铁素体中过饱和当组织发生 回复位错密度下降时重新在铁素体基体中析出 形成弥散细小的渗碳体颗粒并不断长大．由于珠光 体片层的取向不同形变时其应力状态不同这将导 致片层弯曲的程度有差异所以不同取向片层的溶 断和球化进程各不相同；但是随着形变量增大最终 都将球化． 2∙2 不同形变温度对组织演变的影响 比较600～700℃下形变的组织可以看到随着 温度升高相同应变量下渗碳体球化的百分比明显 提高即这一过程的动力学明显提前．图3为三个 温度下渗碳体球化百分比与形变量的关系曲线此 处定义长宽比例小于2∶1的渗碳体颗粒是球化渗碳 体．形变量为10％时渗碳体都没有明显的溶断现 象．随着形变量增大形变温度高的组织发生渗碳 体溶断和球化的过程较快．比较形变量为50％的组 织600℃时组织中主要还是弯曲和溶断的片层结 构为主而700℃时组织中已经较多地存在短棒形 态和渗碳体颗粒组织两个温度下渗碳体球化百分 比有较大差距．形变量70％的时候700℃时组织 已经找不到片层结构渗碳体650℃和600℃时组织 中还残留少量片层结构．图4为形变量80％不同温 度变形的组织形貌比较形变量达到80％时渗碳 体片层已经转化成不规则的位于晶界处大颗粒渗碳 体和晶内弥散分布的细小颗粒渗碳体．尺寸分布统 计表明：随着温度升高渗碳体颗粒尺寸增大大尺 寸渗碳体的形状更为规则边界相对平滑；铁素体基 体晶粒尺寸增大晶界更加明显晶粒尺寸较粗大． 图3 共析钢在1s －1应变速率、不同温度下渗碳体球化百分比和 形变量的关系 Fig．3 Relationship between the volume fraction of spheroidized cementite and the strain of eutectoid steel during deformation under the strain rate of 1s －1at different temperatures 2∙3 温变形后保温过程中的组织演变 图5为1s －1应变速率、650℃、形变80％、保温 一定时间后的形貌．在保温过程中组织主要发生两 种变化随着时间延长渗碳体颗粒不断长大．特别 是位于（亚）晶界位置的大尺寸渗碳体颗粒在保温 30s 的组织中其形状不规则保温1min 后的组织 颗粒形状明显规则边界更为平滑保温5min 后明 显长大．此处统计尺寸为20nm 以上的渗碳体颗粒 尺寸分布从其分布情况可以看出渗碳体颗粒尺寸 呈现双峰分布．较短时间保温后（图5（a）（c））尺 寸介于40到80nm 的渗碳体颗粒大量存在而分布 在晶界位置的大尺寸晶粒相对较少尺寸大约是 150到200nm．保温时间较长的组织中（图5（e）） 出现较多20nm 左右的小颗粒（图5（e）中白色箭头 所示）和220nm 的大颗粒．造成这一现象的原因应 是 Gibbs－Thompson 效应导致渗碳体颗粒发生熟 化部分大尺寸颗粒长大而部分基体中的小颗粒的 渗碳体溶解［8］．同时由于保温过程中组织的缺陷密 度下降导致铁素体中的过饱和碳原子重新析出形 成细小的渗碳体颗粒． 另一方面铁素体基体晶粒发生等轴化并且长 大．定义试样受压缩方向（轴向）的晶粒尺寸为宽 垂直于压缩方向（径向）的晶粒尺寸为长．保温30s 的组织中铁素体晶粒明显因形变被压缩成长条形 ·606· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第6期 刘涛等：共析钢温变形过程的组织球化与超细化 .607. (b) AN0 40 80 120160 200 渗碳体颗粒尺寸m (d) 15 10 40 80120160200240 200nm 渗碳体颗粒尺寸/m 图4共析钢在1：应变速率下形变量为80%时的组织形貌和渗碳体颗粒尺寸分布统计.(a)600℃；(b)600℃尺寸分布统计；（©）700 ℃；(d)700℃尺寸分布统计（图中白色箭头所指为铁素体基体内析出的渗碳体颗粒） Fig4 Microstructures and distribution diagrams of eutectoid steel during deformation by 80%under the strain rate of 1s(a)600C:(b)size distribution diagrams of cermentite particles at 600C:(e)700C:(d)size distribution diagrams of cermentite particles at 700C(the white arrow in (c)shows a re precipitated cermentite particle in the ferrite matrix) 状，此时晶粒平均长宽比例为5左右，保温1min 饱和磁化强度的下降幅度，可知渗碳体的溶解度： 后，晶粒长宽比例没有明显变化.当试样保温5min D=(△M.o-△M.)/△M.0 (1) 后，观察到组织中铁素体晶粒不均匀地发生等轴化， 在本试验中，首先进行未变形的原始试样在各 在一些位置长宽比例下降到2以下，少数位置甚至 个温度下饱和磁化强度Mo的测定（图6(a), 出现近似的等轴晶粒，此时晶粒尺寸大约为733nm, 图6(b)和(c)分别为冷变形80%和应变速率 明显长大，与共析钢冷轧后退火的组织相比，渗碳 0.1s-1、700℃下形变80%的组织饱和磁化强度和 体颗粒的分布相对均匀，没有出现分离的大颗粒渗 温度的关系曲线，与原始状态相比，变形状态下饱 碳体和小颗粒渗碳体呈层状富集的区域3]， 和磁化强度有所提高.依据在渗碳体居里点处饱和 2.4形变过程中的渗碳体分解 磁化强度变化幅度△M。的测量，得出共析钢在 在共析钢温变形及变形后的保温过程中，观察 700℃，0.1s1下形变80%时渗碳体溶解量为D= 到伴随铁素体回复和再结晶同时，细小渗碳体颗粒 6%,而在0.1s-1下冷变形80%时渗碳体溶解量为 在晶内的弥散析出（图4(c)和图5(e)),这只可能是 20%. 渗碳体溶解再析出的结果。故采用热磁法进一步分 上述结果表明，共析钢在温变形及冷变形过程 析这一过程中渗碳体溶解和铁素体中碳过饱和的情 中都发生了渗碳体的溶解，但是在温变形过程中受 况，这种方法对渗碳体的形状、尺寸以及微观应力的 到热激活的影响，铁素体发生的回复或再结晶在一 影响很小[8]. 定程度上降低了位错密度，同时碳原子的扩散使过 采用热磁法测定渗碳体溶解量的原理是通过测 饱和的碳原子在铁素体晶内析出，形成细小的渗碳 量钢中渗碳体居里点附近饱和磁化强度M,的变化 体颗粒（图4(c),图5(e),因此共析钢在700℃、 幅度，而此变化幅度恰好反映该温度下渗碳体相的 0.1s1下形变80%时，渗碳体溶解量为D=6%,是 体积分数，因此渗碳体相的溶解程度D与饱和磁 此变形状态下溶解的渗碳体量与再次析出的渗碳体 化强度的下降程度△M。成正比.对比原始状态 量之差 △M0和变形状态△M:下渗碳体居里点温度附近的 冷变形过程中缺乏热激活，位错、晶界和亚晶界
图4 共析钢在1s －1应变速率下形变量为80％时的组织形貌和渗碳体颗粒尺寸分布统计．（a）600℃；（b）600℃尺寸分布统计；（c）700 ℃；（d）700℃尺寸分布统计（图中白色箭头所指为铁素体基体内析出的渗碳体颗粒） Fig．4 Microstructures and distribution diagrams of eutectoid steel during deformation by80％ under the strain rate of1s －1：（a）600℃；（b） size distribution diagrams of cermentite particles at600℃；（c）700℃；（d） size distribution diagrams of cermentite particles at700℃ （the white arrow in （c） shows a re-precipitated cermentite particle in the ferrite matrix） 状此时晶粒平均长宽比例为5左右．保温1min 后晶粒长宽比例没有明显变化．当试样保温5min 后观察到组织中铁素体晶粒不均匀地发生等轴化 在一些位置长宽比例下降到2以下少数位置甚至 出现近似的等轴晶粒此时晶粒尺寸大约为733nm 明显长大．与共析钢冷轧后退火的组织相比渗碳 体颗粒的分布相对均匀没有出现分离的大颗粒渗 碳体和小颗粒渗碳体呈层状富集的区域［3］． 2∙4 形变过程中的渗碳体分解 在共析钢温变形及变形后的保温过程中观察 到伴随铁素体回复和再结晶同时细小渗碳体颗粒 在晶内的弥散析出（图4（c）和图5（e））这只可能是 渗碳体溶解再析出的结果．故采用热磁法进一步分 析这一过程中渗碳体溶解和铁素体中碳过饱和的情 况这种方法对渗碳体的形状、尺寸以及微观应力的 影响很小［8］． 采用热磁法测定渗碳体溶解量的原理是通过测 量钢中渗碳体居里点附近饱和磁化强度 Ms 的变化 幅度而此变化幅度恰好反映该温度下渗碳体相的 体积分数．因此渗碳体相的溶解程度 D 与饱和磁 化强度的下降程度ΔMs 成正比［9］．对比原始状态 ΔMs0和变形状态ΔMsi下渗碳体居里点温度附近的 饱和磁化强度的下降幅度可知渗碳体的溶解度： D＝（ΔMs0－ΔMsi）／ΔMs0 （1） 在本试验中首先进行未变形的原始试样在各 个温度下饱和磁化强度 Ms0的测定 （图 6（a）） 图6（b）和 （c） 分 别 为 冷 变 形 80％ 和 应 变 速 率 0∙1s －1、700℃下形变80％的组织饱和磁化强度和 温度的关系曲线．与原始状态相比变形状态下饱 和磁化强度有所提高．依据在渗碳体居里点处饱和 磁化强度变化幅度 ΔMs 的测量得出共析钢在 700℃、0∙1s －1下形变80％时渗碳体溶解量为 D＝ 6％而在0∙1s －1下冷变形80％时渗碳体溶解量为 20％． 上述结果表明共析钢在温变形及冷变形过程 中都发生了渗碳体的溶解但是在温变形过程中受 到热激活的影响铁素体发生的回复或再结晶在一 定程度上降低了位错密度同时碳原子的扩散使过 饱和的碳原子在铁素体晶内析出形成细小的渗碳 体颗粒（图4（c）图5（e））．因此共析钢在700℃、 0∙1s －1下形变80％时渗碳体溶解量为 D＝6％是 此变形状态下溶解的渗碳体量与再次析出的渗碳体 量之差． 冷变形过程中缺乏热激活位错、晶界和亚晶界 第6期 刘 涛等： 共析钢温变形过程的组织球化与超细化 ·607·
.608 北京科技大学学报 第30卷 3050 (b) 80 120 160 200 200nm 渗碳体颗粒尺寸mm 25 (d) 20 150 40 80 120160200240280 200nm 渗碳体颗粒尺寸/nm 20 e () 15 40 120 200 280 360 200nm 渗碳体颗粒尺寸/mm 图5共析钢在1：应变速率，650℃、形变80%.保温不同时间后的组织形貌.(a)保温30s:(b)保温30s渗碳体尺寸分布统计：()保温1 min;(d)保温lmim渗碳体尺寸分布统计；(e)保温5mim:(f)保温5mim渗碳体尺寸分布统计（图中白色箭头所指为铁素体基体内再析出的 细小渗碳体颗粒) Fig-5 Microstructures of eutectoid steel during deformation by 80%under the strain of 1sat 650C with the subsequent annealing:(a)anneal- ing for 30s:(b)size distribution diagrams of cermentite particles after annealing for 30s:(c)annealing for Imin:(d)size distribution diagrams of cermentite particles after annealing for Imin:(e)annealing for 5min:(f)size distribution diagrams of cermentite particles after annealing for 5min (the white arrow in (e)shows a re precipitated cermentite particle in the ferrite matrix) 3.0 (a) 1.2 2.5 (b) 3.2 (c) 1.0 出 2.029 1.25 2.4 28 0.8 1.5 1.20 1.6 3 0.6 30 1.15 Ma 1.0 0.4 9 0.5 20200250300350400 0.8 0.2 1.19020025030350400 202002503035040 200 400 600 800 200 400 600 800 200 400600 800 温度℃ 温度/℃ 温度/℃ 图6饱和磁化强度随温度的变化曲线.(a)原始组织：(b)冷轧80%组织：（©）700℃、0.1s温变形80%组织 Fig6 Curves of saturation magnetization with temperature for eutectoid steel:(a)initial state:(b)cold rolled by 80%(c)deformation by 80% under a strain rate of 0.1s at 700C
图5 共析钢在1s －1应变速率、650℃、形变80％、保温不同时间后的组织形貌．（a） 保温30s；（b）保温30s 渗碳体尺寸分布统计；（c） 保温1 min；（d） 保温1min 渗碳体尺寸分布统计；（e） 保温5min；（f） 保温5min 渗碳体尺寸分布统计（图中白色箭头所指为铁素体基体内再析出的 细小渗碳体颗粒） Fig．5 Microstructures of eutectoid steel during deformation by80％ under the strain of1s －1at650℃ with the subsequent annealing：（a） annealing for30s；（b） size distribution diagrams of cermentite particles after annealing for30s；（c） annealing for1min；（d） size distribution diagrams of cermentite particles after annealing for1min；（e） annealing for5min；（f） size distribution diagrams of cermentite particles after annealing for5min （the white arrow in （e） shows a re-precipitated cermentite particle in the ferrite matrix） 图6 饱和磁化强度随温度的变化曲线．（a） 原始组织；（b） 冷轧80％组织；（c）700℃、0∙1s －1温变形80％组织 Fig．6 Curves of saturation magnetization with temperature for eutectoid steel：（a） initial state；（b） cold rolled by80％；（c） deformation by80％ under a strain rate of 0∙1s －1at 700℃ ·608· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第6期 刘涛等：共析钢温变形过程的组织球化与超细化 .609. 的迁移能力受限制，使组织缺陷密度大大高于温变 cold rolling of an eutectoid steel.Acta Metall Sin.2005,41(3): 267 形组织，有可能提供更多碳原子溶解的位置；另外碳 (孙淑华，熊毅，傅万堂，共析珠光体钢在冷轧过程中的组织变 原子扩散受限制，使过饱和的碳原子很难发生再析 化.金属学报，2005,41(3)：267) 出，表现为比温变形更高的溶解量（图7(）)· [3]Furuhara T.Maki T.Ultra fine duplex structure formed by cold 3结论 rolling and annealing of pearlite.ISIJ Int,2005,45(3):392 [4]Feng Z M.Yang W Y.Spheroidized and ultra fine structure (1)共析钢温变形过程中，片层珠光体组织经 formed by cold-rolling and annealing of eutectoid pearlite steel. Unin Sci Technol Beijing.2007,29(7):689 历片层溶断到形成渗碳体颗粒的演变过程，与此同 (冯志明，杨王玥.冷轧退火对共析珠光体钢组织球化超细化 时，伴随铁素体回复再结晶，20nm左右细小渗碳体 的影响.北京科技大学学报，2007,29(7)：689) 颗粒将在铁素体基体中析出，获得亚微米级铁素体 [5]Storojeva L.Ponge D.Kaspar R.et al.Development of mi- 晶粒与颗粒渗碳体弥散分布的复相组织，提高温度 crostructure and texture of medium carbon steel during heavy 促进上述复合过程的进行，变形后保温提高两相弥 warm deformation.Acta Mater,2004,52:2209 散分布的均匀程度 [6]Storojeva L.Kaspar R.Effects of heavy warm deformation on microstructure and mechanical properties of a medium carbon fer- (2)渗碳体居里点附近饱和磁化强度变化幅度 ritic pearlitic steel.ISIJ Int,2004,44(7):1211 的测量证实了共析钢温变形过程中渗碳体的溶解与 [7]Niechajowicz A.Tobota A.Warm deformation of carhon steel.J 铁素体中碳的过饱和以及随后的再析出， Mater Process Technol,2000.106:123 [8]Gavriljuk VG.Decomposition of cementite in pearlitic steel due to 参考文献 plastic deformation.Mater Sci Eng A.2003.345:81 [1]Wang Q S.Jiao Z S.Fan G S.Mechanism of steel during a [9]Ivanisenko Y,Lojkowski W,Valiev RZ,et al.The mechanism spheroidization annealing.Spec Steel.1982.3.1 of formation of nanostructure and dissolution of cementite in a (王全山，焦作山，樊邯生，钢的球化退火机理的研究，特殊钢， pearlitic steel during high pressure torsion.Acta Mater.2003. 1982,3:1) 51:5555 [2]Sun S H.Xiong Y,Fu WT.Microstructural development during
的迁移能力受限制使组织缺陷密度大大高于温变 形组织有可能提供更多碳原子溶解的位置；另外碳 原子扩散受限制使过饱和的碳原子很难发生再析 出表现为比温变形更高的溶解量（图7（b））． 3 结论 （1） 共析钢温变形过程中片层珠光体组织经 历片层溶断到形成渗碳体颗粒的演变过程．与此同 时伴随铁素体回复再结晶20nm 左右细小渗碳体 颗粒将在铁素体基体中析出获得亚微米级铁素体 晶粒与颗粒渗碳体弥散分布的复相组织．提高温度 促进上述复合过程的进行．变形后保温提高两相弥 散分布的均匀程度． （2） 渗碳体居里点附近饱和磁化强度变化幅度 的测量证实了共析钢温变形过程中渗碳体的溶解与 铁素体中碳的过饱和以及随后的再析出． 参 考 文 献 ［1］ Wang Q SJiao Z SFan G S．Mechanism of steel during a spheroidization annealing．Spec Steel19823：1 （王全山焦作山樊邯生．钢的球化退火机理的研究．特殊钢 19823：1） ［2］ Sun S HXiong YFu W T．Microstructural development during cold rolling of an eutectoid steel．Acta Metall Sin200541（3）： 267 （孙淑华熊毅傅万堂．共析珠光体钢在冷轧过程中的组织变 化．金属学报200541（3）：267） ［3］ Furuhara TMaki T．Ultra fine duplex structure formed by cold rolling and annealing of pearlite．ISIJ Int200545（3）：392 ［4］ Feng Z MYang W Y．Spheroidized and ultra-fine structure formed by cold-rolling and annealing of eutectoid pearlite steel．J Univ Sci Technol Beijing200729（7）：689 （冯志明杨王 ．冷轧退火对共析珠光体钢组织球化超细化 的影响．北京科技大学学报200729（7）：689） ［5］ Storojeva LPonge DKaspar Ret al．Development of microstructure and texture of medium carbon steel during heavy warm deformation．Acta Mater200452：2209 ［6］ Storojeva LKaspar R．Effects of heavy warm deformation on microstructure and mechanical properties of a medium carbon ferritic pearlitic steel．ISIJ Int200444（7）：1211 ［7］ Niechajowicz ATobota A．Warm deformation of carbon steel．J Mater Process Technol2000106：123 ［8］ Gavriljuk V G．Decomposition of cementite in pearlitic steel due to plastic deformation．Mater Sci Eng A2003345：81 ［9］ Ivanisenko YLojkowski WValiev R Zet al．The mechanism of formation of nanostructure and dissolution of cementite in a pearlitic steel during high pressure torsion．Acta Mater2003 51：5555 第6期 刘 涛等： 共析钢温变形过程的组织球化与超细化 ·609·
