工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程 张永军李新鹏王九花刘靖韩静涛 Metallographic analysis and kinetic equation of the graphitization process of graphitized steel ZHANG Yong-jun,LI Xin-peng.WANG Jiu-hua,LIU Jing.HAN Jing-Tao 引用本文： 张永军，李新鹏，王九花，刘靖，韩静涛.石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程.工程科学学报，2022,44(2)： 228-234.doi:10.13374.issn2095-9389.2021.01.10.004 ZHANG Yong-jun,LI Xin-peng,WANG Jiu-hua,LIU Jing,HAN Jing-Tao.Metallographic analysis and kinetic equation of the graphitization process of graphitized steel[J].Chinese Journal of Engineering,2022,44(2):228-234.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2021.01.10.004 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2021.01.10.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 1300MPa级Nb微合金化DH钢的组织性能 Microstructure and properties of 1300-MPa grade Nb microalloying DH steel 工程科学学报.2021,433：392htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.01.13.002 高炉炉缸凝铁层物相分析 Analysis of the phase of the solid iron layer in blast furnace hearth 工程科学学报.2017,396)：838 https::/1doi.org/10.13374斩.issn2095-9389.2017.06.004 石墨化碳素钢室温压缩过程中的不均匀变形行为 Inhomogeneous deformation behavior in compressive deformation process at room temperature of graphitized carbon steel 工程科学学报.2019,41(8：1037 https:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.08.009 高炉焦炭石墨化过程中的微观组织和冶金性能演变 Evolution of coke microstructure and metallurgical properties during graphitization in a blast furnace 工程科学学报.2018,40(6)：690 https::/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.06.006 碳基复合材料模压双极板研究进展 Research progress in carbon-based composite molded bipolar plates 工程科学学报.2021,43(5：585 https:/loi.org10.13374.issn2095-9389.2021.01.02.001 纳米SiC对C/C复合材料石墨化与抗氧化性能的影响规律 Influence of nano-SiC on the graphitization and oxidation resistance of C/C composites 工程科学学报.2017,39(1：81 https:/1oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.01.011
石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程 张永军 李新鹏 王九花 刘靖 韩静涛 Metallographic analysis and kinetic equation of the graphitization process of graphitized steel ZHANG Yong-jun, LI Xin-peng, WANG Jiu-hua, LIU Jing, HAN Jing-Tao 引用本文: 张永军, 李新鹏, 王九花, 刘靖, 韩静涛. 石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程[J]. 工程科学学报, 2022, 44(2): 228-234. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.10.004 ZHANG Yong-jun, LI Xin-peng, WANG Jiu-hua, LIU Jing, HAN Jing-Tao. Metallographic analysis and kinetic equation of the graphitization process of graphitized steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2022, 44(2): 228-234. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2021.01.10.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.10.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 1300 MPa级Nb微合金化DH钢的组织性能 Microstructure and properties of 1300-MPa grade Nb microalloying DH steel 工程科学学报. 2021, 43(3): 392 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.13.002 高炉炉缸凝铁层物相分析 Analysis of the phase of the solid iron layer in blast furnace hearth 工程科学学报. 2017, 39(6): 838 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.004 石墨化碳素钢室温压缩过程中的不均匀变形行为 Inhomogeneous deformation behavior in compressive deformation process at room temperature of graphitized carbon steel 工程科学学报. 2019, 41(8): 1037 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.009 高炉焦炭石墨化过程中的微观组织和冶金性能演变 Evolution of coke microstructure and metallurgical properties during graphitization in a blast furnace 工程科学学报. 2018, 40(6): 690 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.006 碳基复合材料模压双极板研究进展 Research progress in carbon-based composite molded bipolar plates 工程科学学报. 2021, 43(5): 585 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.02.001 纳米SiC对C/C复合材料石墨化与抗氧化性能的影响规律 Influence of nano-SiC on the graphitization and oxidation resistance of C/C composites 工程科学学报. 2017, 39(1): 81 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.011
工程科学学报.第44卷.第2期：228-234.2022年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.2:228-234,February 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.10.004;http://cje.ustb.edu.cn 石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程 张永军四，李新鹏，王九花，刘靖，韩静涛 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhangyi@mater..ustb.edu.cn 摘要在650、680和710℃不同温度条件下对碳质量分数为0.66%的淬火高碳钢进行了石墨化处理，并利用场发射扫描 电子显微镜、电子探针、X射线衍射仪和透射电子显微镜对其石墨化过程的组织进行金相分析，以及利用组织转变动力学理 论，绘制了其石墨化过程的动力学曲线，并建立了相应的动力学方程.研究结果显示：在石墨化过程中，淬火马氏体首先向析 出碳化物的稳定状态转变，且在碳化物为渗碳体F©3C时，石墨粒子析出速度开始明显增加；基体组织中针叶状a-Fε发生再结 晶，由等轴状铁素体逐步代替针叶状的@-F:铁素体中的碳含量随着石墨化时间的延长而逐步降低，即由过饱和状态转变为 稳定态.碳含量在石墨粒子中突变增为峰值，而铁含量则突变降为谷值，由此表明，渗碳体分解的碳向石墨核心扩散，铁自石 墨核心处扩散出来，而形成石墨粒子：石墨粒子面积分数随时间变化的曲线呈S形状，即该动力学过程符合动力学模型 JMAK(Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov)方程，且该方程中的n值为1.5-1.7. 关键词石墨化钢；石墨粒子；铁素体；金相分析；JMAK(Johnson--Mehl-Avrami--Kolmogorov)方程 分类号TG113.26 Metallographic analysis and kinetic equation of the graphitization process of graphitized steel ZHANG Yong-jun,LI Xin-peng,WANG Jiu-hua,LIU Jing,HAN Jing-Tao School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhangyj@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT Graphitized steel can have good machinability and formability,or high strength through controlling microstructure.The graphitization process is formation of graphite particles in graphitized steel,which is key to control the microstructure and properties of the steel.In this paper,the quenched high carbon steel with 0.66%carbon(mass fraction)was graphitized at 650,680,and 710C, respectively.The microstructure formed during the graphitization process was analyzed by a field emission scanning electron microscope,electron probe microanalysis,X-ray diffraction,and a transmission electron microscope.According to the dynamic theory of phase transformation,the kinetic curve of the graphitization process was drawn,and the corresponding kinetic equation was established. The results show that in the graphitization process,the quenched martensite is first transformed to the stable state of precipitation carbide.When the carbide is cementite FeC,the precipitation rate of graphite particles increases significantly.The acicular a-Fe in the matrix recrystallizes,and is gradually replaced by equiaxed ferrite.With prolonged graphitization time,the carbon content in ferrite decreases gradually:that is,it changes from a supersaturated state to a stable state.The carbon content increases to the peak value in graphite particles,whereas that of Fe decreases to the valley value.These changes show that the decomposed carbon of cementite,FeC. diffuses into the graphite core,whereas Fe diffuses from the graphite core,and then graphite particles are formed.Additionally,when steel is graphitized,the curve of graphite particle area fraction with time is an S shape;that is,the dynamic process of the tested steel is in accordance with the JMAK (Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov)equation,and the value of n in the equation is between 1.5 and 1.7. 收稿日期：2021-01-10 基金项目：北京市自然科学基金资助项目(2172035)
石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程 张永军苣，李新鹏，王九花，刘 靖，韩静涛 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 苣通信作者， E-mail: zhangyj@mater.ustb.edu.cn 摘 要 在 650、680 和 710 ℃ 不同温度条件下对碳质量分数为 0.66% 的淬火高碳钢进行了石墨化处理，并利用场发射扫描 电子显微镜、电子探针、X-射线衍射仪和透射电子显微镜对其石墨化过程的组织进行金相分析，以及利用组织转变动力学理 论，绘制了其石墨化过程的动力学曲线，并建立了相应的动力学方程. 研究结果显示：在石墨化过程中，淬火马氏体首先向析 出碳化物的稳定状态转变，且在碳化物为渗碳体 Fe3C 时，石墨粒子析出速度开始明显增加；基体组织中针叶状 α-Fe 发生再结 晶，由等轴状铁素体逐步代替针叶状的 α-Fe；铁素体中的碳含量随着石墨化时间的延长而逐步降低，即由过饱和状态转变为 稳定态，碳含量在石墨粒子中突变增为峰值，而铁含量则突变降为谷值，由此表明，渗碳体分解的碳向石墨核心扩散，铁自石 墨核心处扩散出来，而形成石墨粒子；石墨粒子面积分数随时间变化的曲线呈 S 形状，即该动力学过程符合动力学模型 JMAK（Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov）方程，且该方程中的 n 值为 1.5～1.7. 关键词 石墨化钢；石墨粒子；铁素体；金相分析；JMAK(Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov) 方程 分类号 TG113.26 Metallographic analysis and kinetic equation of the graphitization process of graphitized steel ZHANG Yong-jun苣 ，LI Xin-peng，WANG Jiu-hua，LIU Jing，HAN Jing-Tao School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: zhangyj@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT Graphitized steel can have good machinability and formability, or high strength through controlling microstructure. The graphitization process is formation of graphite particles in graphitized steel, which is key to control the microstructure and properties of the steel. In this paper, the quenched high carbon steel with 0.66% carbon (mass fraction) was graphitized at 650, 680, and 710℃, respectively. The microstructure formed during the graphitization process was analyzed by a field emission scanning electron microscope, electron probe microanalysis, X-ray diffraction, and a transmission electron microscope. According to the dynamic theory of phase transformation, the kinetic curve of the graphitization process was drawn, and the corresponding kinetic equation was established. The results show that in the graphitization process, the quenched martensite is first transformed to the stable state of precipitation carbide. When the carbide is cementite Fe3C, the precipitation rate of graphite particles increases significantly. The acicular α-Fe in the matrix recrystallizes, and is gradually replaced by equiaxed ferrite. With prolonged graphitization time, the carbon content in ferrite decreases gradually; that is, it changes from a supersaturated state to a stable state. The carbon content increases to the peak value in graphite particles, whereas that of Fe decreases to the valley value. These changes show that the decomposed carbon of cementite, Fe3C, diffuses into the graphite core, whereas Fe diffuses from the graphite core, and then graphite particles are formed. Additionally, when steel is graphitized, the curve of graphite particle area fraction with time is an S shape; that is, the dynamic process of the tested steel is in accordance with the JMAK (Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov) equation, and the value of n in the equation is between 1.5 and 1.7. 收稿日期: 2021−01−10 基金项目: 北京市自然科学基金资助项目（2172035） 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期：228−234，2022 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. 2: 228−234, February 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.10.004; http://cje.ustb.edu.cn
张永军等：石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程 229. KEY WORDS graphitized steel;graphite;ferrite;metallographic analysis;JMAK(Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov)equation 当钢中出现石墨时，人们习惯将其视为材料 钢材 内部的“缺口”，其塑性加工常常存在问题.然而， 石墨化过程是形成石墨化钢石墨粒子的过程， 近年来科研工作者却利用渗碳体分解的石墨化技 其石墨粒子的形成主要是通过渗碳体分解来实 术，开发出了石墨化钢，当该钢中存在细小、弥散 现.对其进行了解，有助于调控该钢的组织与性能， 分布的石墨粒子时，其线棒材因具有良好的切削 目前对该钢的报道多侧重于其组织特点及其切削 性能和冷镦性能而逐渐受到人们的关注，并对其 性能.为此，本文以碳质量分数为0.66%的淬火高 进行了研制，如英国利兹大学-)、日本新日铁集 碳钢为例，对其在650、680和710℃3个不同温度 团公司、日本FE川崎制铁公司6，伊朗马什哈 下石墨化过程的组织进行金相分析：并绘制其石 德菲尔多西大学和阿萨德大学-81、伊朗旁遮普大 墨化过程的动力学曲线，建立相应的动力学方程. 学、韩国京浦国立大学和浦项制铁0，以及我国 1 实验用钢制备及其实验方法 的中南大学山、昆明理工大学2-)、辽宁科技大学 北京科技大学和首钢技术研究院、武汉钢铁 实验用石墨化钢的化学成分（质量分数）为 公司0-2等.据报道，日本JFE川崎钢铁公司率先 0.66%C.1.60%Si.0.46%Mn,0.003%B.0.008% 研制出在汽车零件与机械结构用钢方面应用的 N的碳钢.利用真空感应炉熔炼、铸锭和热锻等方 “石墨钢”棒材和线材，并已列入日本FE规范问， 法来制备实验直径为6mm的实验用圆钢，之后利 除此之外，石墨化高碳钢板材，也具有一定的冲压 用线切割将其切割成厚度为3mm的圆形试样（即 成形性能而引起人们的兴趣2-2，如日本住友金 试样尺寸为6mm×3mm),然后将其组织淬火成 属工业公司研究成功一种加工成形性与低碳钢板 马氏体，如图1(a)所示；C和Fe元素在淬火马氏 相同的新材料一石墨化高碳冷轧钢板2，以及福 体中的分布如图1(b)所示.由图1可见，淬火马氏 井等人把冷轧后的石墨化钢板再次回炉退火时， 体为典型针叶状高碳马氏体组织（场发射扫描电 得到了质地软且板厚方向性系数y值较大的高碳 子显微镜观察)；C和Fe元素在马氏体中的分布较 钢板2当该钢中的石墨粒子溶于基体之后，其强 为均匀（电子探针测试）.之后，分别对组织为淬火 度指标大幅度提高.因此，石墨化钢被认为是一种 马氏体的圆柱形试样进行不同温度(650、680、 同时具有较高冷成形、切削性能，以及较高强度的 710℃)和不同等温时间的石墨化处理 8000 (b) Fe 7000 6000 5000 4000 3000 C 2000 1000 15 um 0 6 810121416182022 Distance/um 困1用于石墨化处理试样的原始金相组织及其元素分布曲线.(a)金相组织：(b)C、Fe元素分布 Fig.1 Original structure and element distribution curve of the graphitized sample:(a)metallographic structure,(b)distribution of C and iron Fe 利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射 n值，进而推断该钢石墨化过程中的形核率特点 电子显微镜(TEM)、X-射线衍射仪(XRD)、电子探 2实验结果与分析 针(EPMA)等仪器，对石墨化处理试样的金相组织、 以及C、F元素的分布规律进行金相分析，进而确定 2.1实验用钢石墨化过程的金相分析 石墨化过程的组织演变特点：以及根据组织转变 在温度为680℃等温石墨化处理过程中，随 动力学理论，建立其动力学方程，并确定其方程中的 着等温时间延长，首先是碳原子的短距离迁移、在
KEY WORDS graphitized steel；graphite；ferrite；metallographic analysis；JMAK (Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov) equation 当钢中出现石墨时，人们习惯将其视为材料 内部的“缺口”，其塑性加工常常存在问题. 然而， 近年来科研工作者却利用渗碳体分解的石墨化技 术，开发出了石墨化钢，当该钢中存在细小、弥散 分布的石墨粒子时，其线棒材因具有良好的切削 性能和冷镦性能而逐渐受到人们的关注，并对其 进行了研制，如英国利兹大学[1–3]、日本新日铁集 团公司[4]、日本 JFE 川崎制铁公司[5–6] ，伊朗马什哈 德菲尔多西大学和阿萨德大学[7–8]、伊朗旁遮普大 学[9]、韩国京浦国立大学和浦项制铁[10] ，以及我国 的中南大学[11]、昆明理工大学[12–13]、辽宁科技大学[14]、 北京科技大学和首钢技术研究院[15–19] 、武汉钢铁 公司[20–21] 等. 据报道，日本 JFE 川崎钢铁公司率先 研制出在汽车零件与机械结构用钢方面应用的 “石墨钢”棒材和线材，并已列入日本 JFE 规范[5] ； 除此之外，石墨化高碳钢板材，也具有一定的冲压 成形性能而引起人们的兴趣[22– 24] ，如日本住友金 属工业公司研究成功一种加工成形性与低碳钢板 相同的新材料—石墨化高碳冷轧钢板[22] ，以及福 井等人把冷轧后的石墨化钢板再次回炉退火时， 得到了质地软且板厚方向性系数 γ 值较大的高碳 钢板[23] . 当该钢中的石墨粒子溶于基体之后，其强 度指标大幅度提高. 因此，石墨化钢被认为是一种 同时具有较高冷成形、切削性能，以及较高强度的 钢材. 石墨化过程是形成石墨化钢石墨粒子的过程， 其石墨粒子的形成主要是通过渗碳体分解来实 现. 对其进行了解，有助于调控该钢的组织与性能， 目前对该钢的报道多侧重于其组织特点及其切削 性能. 为此，本文以碳质量分数为 0.66% 的淬火高 碳钢为例，对其在 650、680 和 710 ℃ 3 个不同温度 下石墨化过程的组织进行金相分析；并绘制其石 墨化过程的动力学曲线，建立相应的动力学方程. 1 实验用钢制备及其实验方法 实验用石墨化钢的化学成分（质量分数）为 0.66% C， 1.60% Si， 0.46% Mn， 0.003% B， 0.008% N 的碳钢. 利用真空感应炉熔炼、铸锭和热锻等方 法来制备实验直径为 6 mm 的实验用圆钢，之后利 用线切割将其切割成厚度为 3 mm 的圆形试样（即 试样尺寸为 ϕ6 mm×3 mm），然后将其组织淬火成 马氏体，如图 1（a）所示；C 和 Fe 元素在淬火马氏 体中的分布如图 1（b）所示. 由图 1 可见，淬火马氏 体为典型针叶状高碳马氏体组织（场发射扫描电 子显微镜观察）；C 和 Fe 元素在马氏体中的分布较 为均匀（电子探针测试）. 之后，分别对组织为淬火 马氏体的圆柱形试样进行不同温度 （ 650、 680、 710 ℃）和不同等温时间的石墨化处理. 8000 4 7000 6 6000 8 5000 10 4000 12 3000 14 2000 16 1000 18 0 20 22 Count of element Distance/μm Fe C (a) (b) 15 μm 图 1 用于石墨化处理试样的原始金相组织及其元素分布曲线. （a）金相组织；（b）C、Fe 元素分布 Fig.1 Original structure and element distribution curve of the graphitized sample: (a) metallographic structure; (b) distribution of C and iron Fe 利用场发射扫描电子显微镜 (FESEM)、透射 电子显微镜 (TEM)、X-射线衍射仪 (XRD)、电子探 针 (EPMA) 等仪器，对石墨化处理试样的金相组织、 以及 C、Fe 元素的分布规律进行金相分析，进而确定 石墨化过程的组织演变特点；以及根据组织转变 动力学理论，建立其动力学方程，并确定其方程中的 n 值，进而推断该钢石墨化过程中的形核率特点. 2 实验结果与分析 2.1 实验用钢石墨化过程的金相分析 在温度为 680 ℃ 等温石墨化处理过程中，随 着等温时间延长，首先是碳原子的短距离迁移、在 张永军等： 石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程 · 229 ·
230 工程科学学报，第44卷，第2期 微观缺陷（如马氏体中的位错、微裂等）偏聚，如 化，但在图2(b)的各元素计数强度曲线上，C和 图2所示，试样在等温5min石墨化处理后的组织 Fe元素的分布既有峰值、又有谷值，而且C出现 及利用电子探针EPMA测试分析的各元素的计数 峰值的位置，Fe则为谷值，这为在该位置上形成铁 强度曲线.由图2(a)可见，马氏体组织无明显变 的碳化物提供了有利条件 8000 wwwwfwwww 7000 6000 5000 4000 3000 2000 4/ 1000 15 um 0 406080 100120 Distance/um 图2石墨化处理5min时试样的微观组织及其元素分布曲线.(a)金相组织：(b)C、Fe元素分布 Fig.2 Microstructure and element distribution curve of sample graphitized for 5 min:(a)metallographic structure;(b)distribution of C and Fe 随着等温时间的延长，C峰值的计数强度逐 (TEM)观察，如图4所示的a-Fe[111]晶带轴与 步增高，如图3所示的等温30min石墨化处理 Fe3C012】晶带轴复合电子衍射图，其中，a-Fe在 的组织及其利用电子探针EPMA测试分析的各 中心斑点(000)附近的斑点有(10i)a-fe、(1i0)u-Fe、 元素计数强度曲线。由图3(a)可见，马氏体出现 (O1I)a-Fe;Fe3C在中心斑点(000)附近的斑点有 了分解，其组织中出现薄片状、颗粒状析出物， (12I)Fe3C、(02I)FeC、(100)reC,即该析出物为渗碳 为了确定其类型，对其进行了透射电子显微镜 体FeC 8000 7000 4000 3000 2000 1000 0 -10010 203040 506070 Distance/um 图3石墨化处理30min时试样的微观组织及其元素分布曲线.(a)金相组织：(b)C、Fe元素分布 Fig.3 Microstructure and element distribution curve of a graphitized sample for 30 min:(a)metallographic structure;(b)distribution of C and Fe (b) 一般来讲，马氏体分解时，一般首先沉淀出 02I ε碳化物，化学式为Fe24C,密排六方结构，与马氏 100.110e 体的体心四方晶格差异不大，析出较为容易；而渗 OTI Fe 碳体F®zC是复杂的斜方晶格，与马氏体晶格匹配 度不高.所以渗碳体还需要经过碳化物的转变形 0.33m 成，它在开始形成时呈薄片状，然后逐渐球化成为 图4石墨化处理30min时试样中的a-Fe[111]品带轴与 颗粒状的渗碳体.因此，为了进一步确认此时颗粒 Fe3CO12]晶带轴复合电子衍射图.(a)TEM图像：(b)电子衍射图 状析出物为渗碳体，对石墨化等温30min处理的 Fig.4 Composite electron diffraction pattern of a-Fe [111]and Fe C [012]crystal belt axes in the sample graphitized for 30 min:(a)TEM 试样进行电解，并对萃取的产物进行X射线衍射 image;(b)electron diffraction pattern 分析XRD,得到的衍射峰主要是渗碳体FezC,如
微观缺陷（如马氏体中的位错、微裂等）偏聚，如 图 2 所示，试样在等温 5 min 石墨化处理后的组织 及利用电子探针 EPMA 测试分析的各元素的计数 强度曲线. 由图 2（a）可见，马氏体组织无明显变 化，但在图 2（b）的各元素计数强度曲线上，C 和 Fe 元素的分布既有峰值、又有谷值，而且 C 出现 峰值的位置，Fe 则为谷值，这为在该位置上形成铁 的碳化物提供了有利条件. 8000 0 7000 20 6000 40 5000 60 4000 80 3000 100 2000 120 1000 0 Count of element Distance/μm Fe C (a) (b) 15 μm 图 2 石墨化处理 5 min 时试样的微观组织及其元素分布曲线. （a）金相组织；（b）C、Fe 元素分布 Fig.2 Microstructure and element distribution curve of sample graphitized for 5 min: (a) metallographic structure; (b) distribution of C and Fe 随着等温时间的延长，C 峰值的计数强度逐 步增高，如图 3 所示的等温 30 min 石墨化处理 的组织及其利用电子探针 EPMA 测试分析的各 元素计数强度曲线. 由图 3（a）可见，马氏体出现 了分解，其组织中出现薄片状、颗粒状析出物， 为了确定其类型，对其进行了透射电子显微镜 (101)¯ α−Fe (110) ¯ α−Fe (011)α−Fe (121)¯ Fe3C (021)¯ Fe3C (100)Fe3C (TEM) 观察 ，如 图 4 所 示 的 α-Fe [111] 晶带轴 与 Fe3C[012] 晶带轴复合电子衍射图，其中， α-Fe 在 中心斑点（000）附近的斑点有 、 、 ； Fe3C 在中心斑点（ 000）附近的斑点有 、 、 ，即该析出物为渗碳 体 Fe3C. 8000 −10 7000 0 6000 10 5000 20 4000 30 3000 40 2000 50 1000 60 0 70 Count of element Distance/μm Fe C (a) (b) 8 μm 图 3 石墨化处理 30 min 时试样的微观组织及其元素分布曲线. （a）金相组织；（b）C、Fe 元素分布 Fig.3 Microstructure and element distribution curve of a graphitized sample for 30 min: (a) metallographic structure; (b) distribution of C and Fe 0.33 μm (a) 021Fe3C 121Fe3C 100Fe3C 000 101α-Fe 110α-Fe 011α-Fe (b) 图 4 石 墨 化 处 理 30 min 时 试 样 中 的 α-Fe[111] 晶 带 轴 与 Fe3C[012] 晶带轴复合电子衍射图. （a）TEM 图像；（b）电子衍射图 Fig.4 Composite electron diffraction pattern of α-Fe [111] and Fe3C [012] crystal belt axes in the sample graphitized for 30 min: (a) TEM image; (b) electron diffraction pattern 一般来讲，马氏体分解时，一般首先沉淀出 ε 碳化物，化学式为 Fe2.4C，密排六方结构，与马氏 体的体心四方晶格差异不大，析出较为容易；而渗 碳体 Fe3C 是复杂的斜方晶格，与马氏体晶格匹配 度不高. 所以渗碳体还需要经过碳化物的转变形 成，它在开始形成时呈薄片状，然后逐渐球化成为 颗粒状的渗碳体. 因此，为了进一步确认此时颗粒 状析出物为渗碳体，对石墨化等温 30 min 处理的 试样进行电解，并对萃取的产物进行 X 射线衍射 分析 XRD，得到的衍射峰主要是渗碳体 Fe3C，如 · 230 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期
张永军等：石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程 231· 图5所示.由此可确定此时试样中的碳化物以渗 在后续的石墨化过程中，渗碳体分解出石墨， 碳体为主 如图6(a)所示的石墨化等温50min处理试样组织 1800 中的石墨粒子，该石墨粒子的形态及其结构的场 1600 发射扫描电子显微镜(FESEM)图像如图6(b)所 1400 示，该图更加清晰地显示了石墨粒子的团状形态， 1200 (OD 1000 (1D) 及其片层状的结构特点.图6(c)和6(d)显示的是 利用电子探针EPMA测试分析的各元素计数强度 800 曲线，由该曲线可见，出现C峰的位置为石墨，其 600 附近出现了铁素体微区，其碳含量低于基体其他 400 位置（如图6(d)所示）：Fe元素在石墨粒子位置上 200 呈现谷值，这也反映了石墨位置的主要成分是 2M) C元素. 图5石墨化处理30min时试样电解萃取产物的XRD衍射曲线 Fig.5 XRD diffraction curve of electrolytic extraction products from 随着石墨化等温处理时间的延长，也即随着 the samples graphitized for 30 min 马氏体分解的进行，逐渐呈现出针叶状的α相，如 6 500nm s um 180000 10000 (c) 160000 140000 8000 号120000 6000 telo 100000 80000 4000 60000 40000 2000 20000 Fe 0 0 0 10203040506070 20 25 30 35 Distance/μm Distance/um 图6石墨化处理50min时试样的微观组织及其元素分布曲线.(a)金相组织：(b)石墨粒子的形态：(c)C、Fe元素分布（基体）：(d)C、Fe元素分布 (铁素体微区) Fig.6 Microstructure and element distribution curve of samples graphitized for 50 min:(a)metallographic structure;(b)morphology of a graphite particle;(c)distribution of C and Fe in the matrix;(d)distribution of C and Fe in a ferrite region 图7(a)所示的1.0h等温石墨处理试样中的组织 (a) (b) 在石墨化等温处理时间的进一步延长过程中，针 叶状α相发生再结晶，铁素体经形核、长大逐步代 替将针叶状α相而趋于等轴状，如图7(b)所示的 3.0h等温石墨处理试样中出组织中出现了铁素体 20 um 20μm 核心，预示着铁素体再结晶在后续的等温过程中 图7石墨化处理1h(a)和3h(b)试样的微观组织 将开始进行 Fig.7 Microstructures of the samples graphitized for 1 h(a)and 3 h(b)
图 5 所示. 由此可确定此时试样中的碳化物以渗 碳体为主. 1800 42 1600 43 1400 44 1200 45 1000 46 800 47 600 400 200 Intensity (counts) 2θ/(°) Fe C(211) 3 Fe C(102) 3 Fe C(220) 3 Fe C(031) 3 Fe C(112) 3 图 5 石墨化处理 30 min 时试样电解萃取产物的 XRD 衍射曲线 Fig.5 XRD diffraction curve of electrolytic extraction products from the samples graphitized for 30 min 在后续的石墨化过程中，渗碳体分解出石墨， 如图 6（a）所示的石墨化等温 50 min 处理试样组织 中的石墨粒子，该石墨粒子的形态及其结构的场 发射扫描电子显微镜 (FESEM) 图像如图 6（b）所 示，该图更加清晰地显示了石墨粒子的团状形态， 及其片层状的结构特点. 图 6（c）和 6（d）显示的是 利用电子探针 EPMA 测试分析的各元素计数强度 曲线，由该曲线可见，出现 C 峰的位置为石墨，其 附近出现了铁素体微区，其碳含量低于基体其他 位置（如图 6（d）所示）；Fe 元素在石墨粒子位置上 呈现谷值 ，这也反映了石墨位置的主要成分是 C 元素. 随着石墨化等温处理时间的延长，也即随着 马氏体分解的进行，逐渐呈现出针叶状的 α 相，如 图 7（a）所示的 1.0 h 等温石墨处理试样中的组织. 在石墨化等温处理时间的进一步延长过程中，针 叶状 α 相发生再结晶，铁素体经形核、长大逐步代 替将针叶状 α 相而趋于等轴状，如图 7（b）所示的 3.0 h 等温石墨处理试样中出组织中出现了铁素体 核心，预示着铁素体再结晶在后续的等温过程中 将开始进行. (a) (b) 20 μm 20 μm 图 7 石墨化处理 1 h（a）和 3 h（b）试样的微观组织 Fig.7 Microstructures of the samples graphitized for 1 h (a) and 3 h (b) 180000 0 10000 15 160000 10 8000 20 140000 20 6000 25 120000 30 4000 30 100000 40 2000 35 80000 50 0 60000 60 40000 70 20000 0 Count of element Count of element Distance/μm Distance/μm C Fe C Fe 15 μm 500 nm (a) (b) (c) (d) 图 6 石墨化处理 50 min 时试样的微观组织及其元素分布曲线. （a）金相组织；（b）石墨粒子的形态；（c）C、Fe 元素分布（基体）；（d）C、Fe 元素分布 （铁素体微区） Fig.6 Microstructure and element distribution curve of samples graphitized for 50 min: (a) metallographic structure; (b) morphology of a graphite particle; (c) distribution of C and Fe in the matrix; (d) distribution of C and Fe in a ferrite region 张永军等： 石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程 · 231 ·
232 工程科学学报，第44卷，第2期 然而，再结晶铁素体形成初期，其C含量较 低.铁素体中的C元素含量仍然较高，即为碳的过 高，如图8所示的石墨化等温5h处理时的组织及 饱和状态，仍需一定的等温时间来降低其含量，以 其元素分布图.由图8可见，已观察不到马氏体， 达到较为稳定的状态，如图9显示的利用电子探 铁素体呈近等轴状；在电子探针EPMA测试的各 针EPMA测试的石墨化16h等温处理试样中铁素 元素计数强度曲线上，出现C峰的位置则为析出 体基体中的C元素计数强，与5h相比，降低了 的石墨粒子，对应位置的Fe为谷值，即其含量较 400左右 200000 (b) 150000 10UU0 50000 1200 1000 800 600 400 15m 20 0 10 20 30 40 50 Distance/um 图8石墨化处理5h时试样的微观组织及其元素分布曲线.(a)金相组织：(b)C、Fe元素分布 Fig.8 Microstructure and element distribution curve of the samples graphitized for 5 h:(a)metallographic structure;(b)distribution of C and Fe 150000 (b) 100000 50000 uno 1000 800 600 20 um 400 200 0 10 203040 50 0 Distance/um 图9石墨化处理16h时试样的微观组织及其C元素分布曲线.(a)金相组织：(b)C、Fe元素分布 Fig.9 Microstructure and carbon element distribution curve of the graphitized samples for 16 h:(a)metallographic structure;(b)distribution of carbon 图10显示的是对石墨化等温16h处理试样 (b) 中的石墨粒子利用透射电子显微镜(TEM)观察得 到的电子衍射图.由图可见，该衍射图是石墨C的 000 多晶衍射环，围绕中心衍射斑点为(000)出现了四 101.002 104 道衍射环，第一道衍射环为石墨C的(002)晶面， 0.25um 201 第二道衍射环为(101)晶面；第三道衍射环为 (104)晶面，第四道衍射环为(201)晶面 图10石墨粒子的TEM图像及其电子衍射图.(a)石墨粒子的 综上所述，实验用石墨化高碳钢在温度为680℃ TEM图像：(b)石墨粒子的电子衍射图 的条件下进行石墨化过程时，马氏体首先向析出 Fig.10 TEM images and electron diffraction patterns of graphite particles:(a)TEM image of a graphite particle;(b)electron diffraction 碳化物稳定状态转变，且在转变的碳化物为渗碳 pattern of a graphite particle 体FeC时，石墨粒子析出速度加快，与此同时，基 体组织中针叶状a-Fe发生再结品，由等轴状铁素 态；C、Fe元素含量在石墨粒子与铁素体界面处发 体逐步代替针叶状的α相，在此过程中，铁素体中 生突变，C元素在石墨粒子中突变增高为峰值，而 的C含量逐渐降低，即由过饱和状态转变为稳定 Fe元素则突变降低为谷值.由此表明，渗碳体分
然而，再结晶铁素体形成初期，其 C 含量较 高，如图 8 所示的石墨化等温 5 h 处理时的组织及 其元素分布图. 由图 8 可见，已观察不到马氏体， 铁素体呈近等轴状；在电子探针 EPMA 测试的各 元素计数强度曲线上，出现 C 峰的位置则为析出 的石墨粒子，对应位置的 Fe 为谷值，即其含量较 低. 铁素体中的 C 元素含量仍然较高，即为碳的过 饱和状态，仍需一定的等温时间来降低其含量，以 达到较为稳定的状态，如图 9 显示的利用电子探 针 EPMA 测试的石墨化 16 h 等温处理试样中铁素 体基体中的 C 元素计数强，与 5 h 相比，降低了 400 左右. 200000 1200 0 150000 1000 10 100000 800 20 50000 600 30 400 40 200 50 0 Count of element Distance/μm C Fe 15 μm (a) (b) 图 8 石墨化处理 5 h 时试样的微观组织及其元素分布曲线. （a）金相组织；（b）C、Fe 元素分布 Fig.8 Microstructure and element distribution curve of the samples graphitized for 5 h: (a) metallographic structure; (b) distribution of C and Fe 150000 1000 0 100000 800 10 50000 600 20 400 30 200 40 50 60 Count of element Distance/μm C 20 μm (a) (b) 图 9 石墨化处理 16 h 时试样的微观组织及其 C 元素分布曲线. （a）金相组织；（b）C、Fe 元素分布 Fig.9 Microstructure and carbon element distribution curve of the graphitized samples for 16 h: (a) metallographic structure; (b) distribution of carbon 图 10 显示的是对石墨化等温 16 h 处理试样 中的石墨粒子利用透射电子显微镜 (TEM) 观察得 到的电子衍射图. 由图可见，该衍射图是石墨 C 的 多晶衍射环，围绕中心衍射斑点为（000）出现了四 道衍射环，第一道衍射环为石墨 C 的（002）晶面， 第二道衍射环为 （ 101）晶面 ；第三道衍射环为 （104）晶面，第四道衍射环为（201）晶面. 综上所述，实验用石墨化高碳钢在温度为 680 ℃ 的条件下进行石墨化过程时，马氏体首先向析出 碳化物稳定状态转变，且在转变的碳化物为渗碳 体 Fe3C 时，石墨粒子析出速度加快，与此同时，基 体组织中针叶状 α-Fe 发生再结晶，由等轴状铁素 体逐步代替针叶状的 α 相，在此过程中，铁素体中 的 C 含量逐渐降低，即由过饱和状态转变为稳定 态；C、Fe 元素含量在石墨粒子与铁素体界面处发 生突变，C 元素在石墨粒子中突变增高为峰值，而 Fe 元素则突变降低为谷值. 由此表明，渗碳体分 000 002 101 104 201 0.25 μm (a) (b) 图 10 石墨粒子的 TEM 图像及其电子衍射图. （a）石墨粒子的 TEM 图像；（b）石墨粒子的电子衍射图 Fig.10 TEM images and electron diffraction patterns of graphite particles: (a) TEM image of a graphite particle; (b) electron diffraction pattern of a graphite particle · 232 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期
张永军等：石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程 233· 解的碳向石墨核心扩散，F自石墨核心处扩散出 对图1中三个不同温度的动力学实验曲线， 来，形成石墨粒子， 按式(3)进行计算，并将其值绘制在以n1为横坐 22实验用钢石墨化过程的动力学曲线 标、为纵坐标的坐标系中，如图12所示.对图12 对不同石墨化温度(650、680和710℃)、不同 中的实验数据进行线性拟合，其斜率为JMAK方 石墨化时间处理试样的石墨粒子面积分数，用计 程中的n值，截距为MAK方程中的k值.拟合得 点法进行测量和统计，即： 到的不同石墨化温度下的n值、k值如表1所示 片-丝×100% (1) 由此即可确定实验用钢不同温度下的动力学方程 9 式中：，是保温时间为i时石墨粒子的面积分 80元 ■ 数，%；是保温时间为i时石墨粒子的面积：P,是 完全转化的石墨面积，本实验用16h石墨化处理 710℃ 后的石墨粒子面积作近似值 将按式(1)统计的石墨粒子的面积分数y,绘 650℃ 制在以时间为横坐标、石墨体积分数为纵坐标的 坐标系中，得到石墨粒子的面积分数随时间变化 的曲线，即得到由实验数据获得的动力学曲线，如 图11所示.由图11可见，石墨粒子面积分数随着温 -1.0-0.500.51.01.52.02.53.0 Int 度的提高而增加，如当石墨化时间为1h时，650℃ 图12nt与nn(1-y之间的线性回归 石墨粒子面积分数为0.0314,680℃时为0.0634， Fig.12 The linear regression between In t and In[In(1-y)] 710℃时为0.1112.另外，石墨粒子面积分数随着 表1不同温度下的H值和k值 时间的增加而呈S型变化，即石墨粒子面积分数 Table 1 Values ofn and at various temperatures 在石墨化处理的初期以及后期增加缓慢，而在中 Temperature/℃ k 间阶段则快速增加，这种变化特征符合相变动力 学模型JMAK方程规律，即可用MAK方程来描 650 1.68 0.0403 680 1.61 0.0707 述实验用石墨化高碳钢的石墨化过程.该动力学 710 1.56 0.1279 方程规定，转变分数随时间的变化可以表示成： y=1-exp(-kt") (2) 由表1可见，所得n值为1.5~17，根据固态 0 相变关于扩散控制生长理论，可以推断石墨化 A究680℃ 过程是形核率随时间减少的 0.8 710℃ 3结论 0.6 (1)在实验用钢的石墨化过程中，马氏体首先 0.4 向析出碳化物的稳定状态转变，且在碳化物为渗 650℃ 0.2 碳体FeC时，石墨粒子析出速度加快，与此同时， 基体组织中针叶状α相发生再结晶，由等轴状铁 10 素体逐步代替针叶状的α相，在此过程中，铁素体 t/h 中的C含量逐渐降低，即由过饱和状态转变为稳 图11实验用钢石墨化过程的动力学曲线 定态；C、Fe元素含量均在石墨粒子与铁素体界面 Fig.11 Kinetics curve of the graphitization process of tested steel 处发生突变，C元素在石墨粒子中突变增为峰值， 式中：y为转变分数；k为反应速率常数；n为反应 Fe元素则突变降为谷值.由此这表明，碳向石墨 指数. 核心扩散，Fe自石墨核心处扩散出来，而形成石墨 将式(2)简化为k=-ln(1-y),并将其两边取 粒子 对数，其结果为： (2)在实验用钢的石墨化过程中，随时间变化 In[ln(1-y)]=n.Int+Ink (3) 的石墨粒子面积分数曲线呈S形状，即石墨粒子 即，nn(1-y)l]与lnt呈现线性关系. 面积分数在石墨化处理的初期以及后期增加缓
解的碳向石墨核心扩散，Fe 自石墨核心处扩散出 来，形成石墨粒子. 2.2 实验用钢石墨化过程的动力学曲线 对不同石墨化温度（650、680 和 710 ℃）、不同 石墨化时间处理试样的石墨粒子面积分数，用计 点法进行测量和统计，即： yi = φi φt ×100% （1） φi φt 式中 ： yi 是保温时间 为 i 时石墨粒子的面积分 数，%； 是保温时间为 i 时石墨粒子的面积； 是 完全转化的石墨面积，本实验用 16 h 石墨化处理 后的石墨粒子面积作近似值. 将按式（1）统计的石墨粒子的面积分数 yi 绘 制在以时间为横坐标、石墨体积分数为纵坐标的 坐标系中，得到石墨粒子的面积分数随时间变化 的曲线，即得到由实验数据获得的动力学曲线，如 图 11 所示. 由图 11 可见，石墨粒子面积分数随着温 度的提高而增加，如当石墨化时间为 1 h 时，650 ℃ 石墨粒子面积分数为 0.0314， 680 ℃ 时为 0.0634， 710 ℃ 时为 0.1112. 另外，石墨粒子面积分数随着 时间的增加而呈 S 型变化，即石墨粒子面积分数 在石墨化处理的初期以及后期增加缓慢，而在中 间阶段则快速增加，这种变化特征符合相变动力 学模型 JMAK 方程规律，即可用 JMAK 方程来描 述实验用石墨化高碳钢的石墨化过程. 该动力学 方程规定，转变分数随时间的变化可以表示成[25] ： y = 1−exp(−ktn ) （2） 1.0 1 0.8 10 0.6 0.4 0.2 0 y t/h 710 ℃ 650 ℃ 680 ℃ 图 11 实验用钢石墨化过程的动力学曲线 Fig.11 Kinetics curve of the graphitization process of tested steel 式中：y 为转变分数；k 为反应速率常数；n 为反应 指数. ktn 将式（2）简化为 = −ln(1−y) ，并将其两边取 对数，其结果为： ln[ln(1−y) −1 ] = n ·lnt+lnk （3） ln[ln(1−y) −1 即， ] 与 ln t 呈现线性关系. 对图 11 中三个不同温度的动力学实验曲线， 按式（3）进行计算，并将其值绘制在以 ln t 为横坐 标、为纵坐标的坐标系中，如图 12 所示. 对图 12 中的实验数据进行线性拟合，其斜率为 JMAK 方 程中的 n 值，截距为 JMAK 方程中的 k 值. 拟合得 到的不同石墨化温度下的 n 值、k 值如表 1 所示. 由此即可确定实验用钢不同温度下的动力学方程. 2 −1.0 1 −0.5 0 0 −1 0.5 −2 1.0 −3 1.5 −4 2.0 −5 2.5 3.0 710 ℃ 650 ℃ 680 ℃ lnt ln[ln(1−y)−1 ] 图 12 ln t 与 ln[ln(1−y) −1] 之间的线性回归 Fig.12 The linear regression between ln t and ln[ln(1−y) −1] 表 1 不同温度下的 n 值和 k 值 Table 1 Values of n and k at various temperatures Temperature / ℃ n k 650 1.68 0.0403 680 1.61 0.0707 710 1.56 0.1279 由表 1 可见，所得 n 值为 1.5 ～1.7，根据固态 相变关于扩散控制生长理论[26] ，可以推断石墨化 过程是形核率随时间减少的. 3 结论 （1）在实验用钢的石墨化过程中，马氏体首先 向析出碳化物的稳定状态转变，且在碳化物为渗 碳体 Fe3C 时，石墨粒子析出速度加快，与此同时， 基体组织中针叶状 α 相发生再结晶，由等轴状铁 素体逐步代替针叶状的 α 相，在此过程中，铁素体 中的 C 含量逐渐降低，即由过饱和状态转变为稳 定态；C、Fe 元素含量均在石墨粒子与铁素体界面 处发生突变，C 元素在石墨粒子中突变增为峰值， Fe 元素则突变降为谷值. 由此这表明，碳向石墨 核心扩散，Fe 自石墨核心处扩散出来，而形成石墨 粒子. （2）在实验用钢的石墨化过程中，随时间变化 的石墨粒子面积分数曲线呈 S 形状，即石墨粒子 面积分数在石墨化处理的初期以及后期增加缓 张永军等： 石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程 · 233 ·
234 工程科学学报，第44卷.第2期 慢，而在中间阶段则迅速升高，这种变化规律，即 deformation on graphitization of 45 steel.J Univ Sci Technol 实验用钢石墨化动力学过程可用JMAK方程来描 Liaoning,2018,41(5):351 (张政，李瑞武，马柯鑫，等.中温形变对45钢石墨化的影响.辽 述；通过对实验数据的拟合，确定了本实验条件下 宁科技大学学报，2018,41(5)：351) 该方程中的n值为1.5~1.7，也即得到实验用钢不 [15]Zhang Y J.Research and Development of Hypoeutectoid 同温度下的动力学方程 Graphitized Free Cutting Steel [Dissertation].Beijing:University of Science and Technology Beijing,Shougang Research Institute 参考文献 ofTechnology.2006 [1]Inam A,Edmonds D.Machinability of an experimental graphitised (张永军.亚共析石墨化易切削钢的研究与开发博士后研究工 carbon steel.Mater Sci Forum,2016,879:477 作报告].北京：北京科技大学，首钢技术研究院，2006) [2] Inam A,Brydson R,Edmonds D V.Effect of starting [16]Zhang Y J,Han J T,Wang Q L,et al.Research and development microstructure upon the nucleation sites and distribution of of graphitized hypoeutectoid free cutting steel.Iron Steel,2008, graphite particles during a graphitising anneal of an experimental 43(8):73 medium-carbon machining steel.Mater Charact,2015,106:86 (张永军，韩静涛，王全礼，等.亚共析石墨化易切削钢的开发 [3] He K,Daniels H R,Brown A,et al.An electron microscopic study 钢铁，2008,43(8)：73) of spheroidal graphite nodules formed in a medium-carbon steel by [17]Zhang Y J,Han J T.Microstructure and properties of graphitized annealing.Acta Mater,2007,55(9):2919 free-cutting steel.Russ Metall (Mer),2018,2018(3):248 [4]Katayama S,Toda M.Machinability of medium carbon graphitic [18]Zhang Y J,Zhang P C,Zhang B,et al.Inhomogeneous steel.J Mater Process Technol,1996,62(4):358 deformation behavior in compressive deformation process at room [5] Iwamoto T,Murakami T.Bar and wire steels for gears and valves temperature of graphitized carbon steel.Chin J Eng,2019,41(8): of automobiles-eco-friendly free cutting steel without lead 1037 addition.Jfe Giho,2004,4:74 (张永军，张鹏程，张波，等.石墨化碳素钢室温压缩过程中的不 [6] Iwamoto T,Hoshino T,Matsuzaki A,et al.A new developed 均匀变形行为.工程科学学报，2019,41(8)：1037) unleaded free cutting steel which has both of high fatigue strengh [19]Zhang Y J,Wang J H,Li X P,et al.Experimental research on the and excellent machinability using graphitization of carbon in the deformation behavior of graphitized steel under medium steel.Material Japan,2003,42(2):163 temperature compression.J Harbin Eng Univ,2021,42(3):433 [7]Mokhtari A.Rashidi A M.The transformation of CK45 steel to the (张永军，王九花，李新鹏，等，石墨化钢压缩温变形行为的试验 dual phase graphite steel and the study of its microstructure.Indian 研究.哈尔滨工程大学学报，2021,42(3)：433) J Fund Appl Life Sci,2015,5(S2):1749 [20]Yin YY,Fang F,Yan X,et al.Microstructure and properties of 西 Rounaghi S A,Kiani-Rashid A R.A study on graphitisation environmental graphitized free-cutting steel.Trans Mater Heat acceleration during annealing of martensitic hypereutectoid steel. Tea,2013,34(4):133 Phase Transitions,2011,84(11-12):981 (尹云洋，方芳，严翔，等.环保石墨易切削钢的组织及性能.材 [9] Inam A,He K J,Edmonds D.Graphitisation:A potential new 料热处理学报，2013,34(4)片133) route to free-machining steels /Proceedings of HSLA Steels 2015 [21]Yin YY,Fang F,Luo G H,et al.Microstructure evolution of and Micro alloying 2015 and OES 2015.Hangzhou,2016:817 environmental graphitized hypoeutectoid free cutting steel.App/ [10]Kim Y J,Bae S W,Lim N S,et al.Graphitization behavior of Mech Mater,2014,633-634:192 medium-carbon high-silicon steel and its dependence on [22]Jia B.High carbon cold rolled sheet with excellent formability. temperature and grain size.Mater SciEngA,020,785:139392 ron Steel,1993(9:75) [11]Gao J X,Wei B Q,Li DD,et al.Nucleation and growth (佳贝.加工性能优良的高碳冷轧薄板.钢铁，1993(9)：75)) characteristics of graphite spheroids in bainite during [23]Fukui K,Mizui N,Arai M,et al.Effect of carbon and phosphorus graphitization annealing of a medium carbon steel.Mater Charact, contents on the graphitization of cementite in high carbon sheet 2016,118:1 steels.Tetsu-to-hagan,199,82(12):1029 [12]Chen X Y.Study on Graphitization Process of Medium Carbon [24]Neri M A,Colas R,Valtierra S.Graphitization in high carbon Steel [Dissertation].Kunming:Kunming University of Science and commercial steels.J Mater Eng Perform,1998,7(4):467 Technology,2016 [25]Guo Z H.Kinetics and Crystallography of Solid State (陈宣宇.中碳钢的石墨化工艺研究学位论文】.昆明：昆明理工 Transformations.Shanghai:Shanghai Jiao Tong University Press, 大学，2016) 2019 [13]Chen X Y,Cao J C.Zhou X L.Effect of heat treatment on (郭正洪.固态相变动力学及品体学.上海：上海交通大学出版 microstructure of graphitized free-cutting steel.Hot Work Technol, 社，2019) 2017,46(4):234 [26]Cai X.Fundamentals of Materials Science and Engineering. (陈宜宇，曹建春，周晓龙.热处理对石墨易切削钢显微组织的 Shanghai:Shanghai Jiao Tong University Press,2010 影响.热加工工艺，2017,46(4)：234) (蔡珣.材料科学与工程基础.上海：上海交通大学出版社， [14]Zhang Z,Li R W,Ma K X,et al.Effect of medium temperature 2010)
慢，而在中间阶段则迅速升高，这种变化规律，即 实验用钢石墨化动力学过程可用 JMAK 方程来描 述；通过对实验数据的拟合，确定了本实验条件下 该方程中的 n 值为 1.5～1.7, 也即得到实验用钢不 同温度下的动力学方程. 参 考 文 献 Inam A, Edmonds D. Machinability of an experimental graphitised carbon steel. Mater Sci Forum, 2016, 879: 477 [1] Inam A, Brydson R, Edmonds D V. Effect of starting microstructure upon the nucleation sites and distribution of graphite particles during a graphitising anneal of an experimental medium-carbon machining steel. Mater Charact, 2015, 106: 86 [2] He K, Daniels H R, Brown A, et al. An electron microscopic study of spheroidal graphite nodules formed in a medium-carbon steel by annealing. Acta Mater, 2007, 55（9）: 2919 [3] Katayama S, Toda M. Machinability of medium carbon graphitic steel. J Mater Process Technol, 1996, 62（4）: 358 [4] Iwamoto T, Murakami T. Bar and wire steels for gears and valves of automobiles-eco-friendly free cutting steel without lead addition. Jfe Giho, 2004, 4: 74 [5] Iwamoto T, Hoshino T, Matsuzaki A, et al. A new developed unleaded free cutting steel which has both of high fatigue strengh and excellent machinability using graphitization of carbon in the steel. Material Japan, 2003, 42（2）: 163 [6] Mokhtari A, Rashidi A M. The transformation of CK45 steel to the dual phase graphite steel and the study of its microstructure. Indian J Fund Appl Life Sci, 2015, 5（S2）: 1749 [7] Rounaghi S A, Kiani-Rashid A R. A study on graphitisation acceleration during annealing of martensitic hypereutectoid steel. Phase Transitions, 2011, 84（11-12）: 981 [8] Inam A, He K J, Edmonds D. Graphitisation: A potential new route to free-machining steels // Proceedings of HSLA Steels 2015 and Micro alloying 2015 and OES 2015. Hangzhou, 2016: 817 [9] Kim Y J, Bae S W, Lim N S, et al. Graphitization behavior of medium-carbon high-silicon steel and its dependence on temperature and grain size. Mater Sci Eng A, 2020, 785: 139392 [10] Gao J X, Wei B Q, Li D D, et al. Nucleation and growth characteristics of graphite spheroids in bainite during graphitization annealing of a medium carbon steel. Mater Charact, 2016, 118: 1 [11] Chen X Y. Study on Graphitization Process of Medium Carbon Steel [Dissertation]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2016 （ 陈宣宇. 中碳钢的石墨化工艺研究[学位论文]. 昆明: 昆明理工 大学, 2016） [12] Chen X Y, Cao J C, Zhou X L. Effect of heat treatment on microstructure of graphitized free-cutting steel. Hot Work Technol, 2017, 46（4）: 234 （陈宣宇, 曹建春, 周晓龙. 热处理对石墨易切削钢显微组织的 影响. 热加工工艺, 2017, 46（4）：234） [13] [14] Zhang Z, Li R W, Ma K X, et al. Effect of medium temperature deformation on graphitization of 45 steel. J Univ Sci Technol Liaoning, 2018, 41（5）: 351 （张政, 李瑞武, 马柯鑫, 等. 中温形变对45钢石墨化的影响. 辽 宁科技大学学报, 2018, 41（5）：351） Zhang Y J. Research and Development of Hypoeutectoid Graphitized Free Cutting Steel [Dissertation]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, Shougang Research Institute of Technology, 2006 （ 张永军. 亚共析石墨化易切削钢的研究与开发[博士后研究工 作报告]. 北京: 北京科技大学, 首钢技术研究院, 2006） [15] Zhang Y J, Han J T, Wang Q L, et al. Research and development of graphitized hypoeutectoid free cutting steel. Iron Steel, 2008, 43（8）: 73 （张永军, 韩静涛, 王全礼, 等. 亚共析石墨化易切削钢的开发. 钢铁, 2008, 43（8）：73） [16] Zhang Y J, Han J T. Microstructure and properties of graphitized free-cutting steel. Russ Metall (Met), 2018, 2018（3）: 248 [17] Zhang Y J, Zhang P C, Zhang B, et al. Inhomogeneous deformation behavior in compressive deformation process at room temperature of graphitized carbon steel. Chin J Eng, 2019, 41（8）: 1037 （张永军, 张鹏程, 张波, 等. 石墨化碳素钢室温压缩过程中的不 均匀变形行为. 工程科学学报, 2019, 41（8）：1037） [18] Zhang Y J, Wang J H, Li X P, et al. Experimental research on the deformation behavior of graphitized steel under medium temperature compression. J Harbin Eng Univ, 2021, 42（3）: 433 （张永军, 王九花, 李新鹏, 等. 石墨化钢压缩温变形行为的试验 研究. 哈尔滨工程大学学报, 2021, 42（3）：433） [19] Yin Y Y, Fang F, Yan X, et al. Microstructure and properties of environmental graphitized free-cutting steel. Trans Mater Heat Treat, 2013, 34（4）: 133 （尹云洋, 方芳, 严翔, 等. 环保石墨易切削钢的组织及性能. 材 料热处理学报, 2013, 34（4）：133） [20] Yin Y Y, Fang F, Luo G H, et al. Microstructure evolution of environmental graphitized hypoeutectoid free cutting steel. Appl Mech Mater, 2014, 633-634: 192 [21] Jia B. High carbon cold rolled sheet with excellent formability. Iron Steel, 1993（9）: 75) （佳贝. 加工性能优良的高碳冷轧薄板. 钢铁, 1993（9）：75)） [22] Fukui K, Mizui N, Arai M, et al. Effect of carbon and phosphorus contents on the graphitization of cementite in high carbon sheet steels. Tetsu-to-hagané, 1996, 82（12）: 1029 [23] Neri M A, Colás R, Valtierra S. Graphitization in high carbon commercial steels. J Mater Eng Perform, 1998, 7（4）: 467 [24] Guo Z H. Kinetics and Crystallography of Solid State Transformations. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press, 2019 （ 郭正洪. 固态相变动力学及晶体学. 上海: 上海交通大学出版 社, 2019） [25] Cai X. Fundamentals of Materials Science and Engineering. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press, 2010 （ 蔡珣. 材料科学与工程基础. 上海: 上海交通大学出版社, 2010） [26] · 234 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期
