硅对低碳Si-Mn双相钢纤维组织的影响.pdf_大学文库

第 31 卷第 6 期 1仑宫 1年 11月北京科技大学学报 v o l . z 3 N o . 6 工o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e o h n o l o g y B e i j i n g N o v . i , , i 硅对低碳iS 一 M n 双相钢纤维组织的影响钱菊 ’ 田涂 ’ 摘要 : 研究了硅对低碳 is 一 M n 双相钢纤维状马氏体形成、变化的影响。结果表明 : 在过热度△ T 叮奥氏体化温度与 A c ;的温度差值 ) 相近的条件下 , 钢中硅含量提高有阻止马氏体纤维粗化的作用。原始组织为高温淬火态的钢 , 在 a( 十闪两相区二次淬火组织中 , 纤维马氏体开始消失的温度随钢中硅含量增多而升高 , 钢中硅含量每增加一倍 , 该温度相应升高约 4 0℃ o 关键词 : 双相钢 , 纤维组织 , 硅 I n f l u e n e e o f 5 1 o n t h e F o r m a t i o n a n d V a r i a t i o n o f F i b r o u s M a r t e n s i t e o f L o w C a r b o n 5 1 一 M n D u a l 一 P h a s e S t e e l Q` a n J “ , T i a n C o n 夕 , A B ST R AC T : T h e i n f l u e n e e o f s i li e o n o n t h e f o r m a t i o n a n d v a r i a t i o n o f f i b r o u s m a r t e n s i t e o f l o w e a r b o n 5 1 一 M n d u a l 一 p h a s e s t e e l w a s s t u d i e d b y q u a n t i t a t i v e m e t a ll o g r a p h y , S E M a n d T E M 。 T h e r e s u lt s s h o w t h a t w h e n s u p e r h e a t i n g d e g r e e 1 5 g i v e n , t h e t h i e k e n i n g r a t e o f t h e f i b r o u s m a r t e n s i t e s l o w s d o w n w i t h t h e i n e r e a s e o f s i li e o n e o n t e n t 。 I n t h e s t r u e t u r e o f i n t e r 爪 e d i a t e q u e n e h i n g s p e e i m e n , t h e s t a r t i n g d i s a p p e a r i n g t e m p e r a t u r e o f t h e f i b r o u s m a r t e n s i t e i n e r e a s e s w i t h s i l i e o n e o n t e n t o f s t e e l 。 K E Y W O R D S : d u a l 一 p h a s e s t e e l , f i b r o u s m a r t e n s i t e , s i l i e o n 1 9 9 1 一 0 1 一 2 5收稿材料科学与工程系 ( D e P a r t m e n t o f M a t e r i a l s S e i e o e e a n d E n g i n e e r i n g ) 5 5 4 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1991. 06. 026

Koo J Y和Thomas G在0，lC-2Si钢中以双淬火方法得到纤维型双相组织。继而用于研制高强度低碳双相钢丝，取得成功c1-3)。Thomas]及其合作者认为，纤维型双相组织能最有效地传输载荷8，们。纤维状马氏体与铁素体的界面处，原子有良好的配置〔4)；而岛型（或块型）双相组织在拉拔形变时易产生空洞5，)；文献〔7-9)研究表明，低碳硅锰双相钢，以纤维或岛型双相组织均可成功制成高强度制绳用钢丝。在双相钢研究中，关于硅对纤维型双相组织形成、变化的影响，尚未见报导。本文在保持钢中碳、锰含量相近的情况下，研究硅对纤维型双相组织形成、变化的影响，以便能更好地控制双相组织，获得最佳的力学性能。 1 试验用钢及试验方法 1,1试验用钢试验用钢的化学成分和临界点如表1所示，钢由50kg真空感应炉冶炼。热轧成中8.4mm 的盘条，终轧温度850℃。采用膨胀法测定了试验用钢的临界点。表1试验用钢的化学成分(wt%)和临界点（℃） Table 1 Analysis of experimental steels (wt%)and critical tempelature (C) 化学成分，wt% 临界点，℃ 钢代号 C Mn Aci Acs C 0.09 2,21 0.42 0.01 0.009 721 879 D 0.09 2.19 0.97 0.01 0.009 736 900 E 0.09 2.17 1.70 0.01 0.009 756 952 1.2试验方法中8mm×10mm试样采用的双淬火工艺如下：一次淬火T:=1100℃，T:=30min:二次淬火采用不同的温度(T)和时间(x)。二次淬火时的过热度用△T表示，即二次加热温度与Ac1 之差。采用金相定量法测定了马氏体纤维的平均间距及体积百分数。定量结果的相对误差不超过3%。定量用的显微组织经Le Perai试剂着色。利用扫描电镜及透射电镜，观察了组织的形貌及精细结构。扫描用试样经4%硝酸酒精浸蚀。 2试验结果及讨论试验用钢热轧态组织均为岛形马氏体加铁素体双相组织。一次谇火后，3种钢的组织均为板条马氏体。钢经一次淬火后，在(+y)两相区给定温度加热不同时间后组织变化有以下特点： (1)二次淬火加热保温时间对马氏体纤维平均间距的影响试验用3种钢在△T≈10℃ 时，保温时间对马氏体纤维（高温时为奥氏体，淬火后为马氏体）平均间距(L)的影响，结果如 555

K o J Y 和 T h o m a s G 在。 . I C 一 25 1钢中以双淬火方法得到纤维型双相组织。继而用于研制高强度低碳双相钢丝 , 取得成功〔 ` 一 “ ’ 。 T ho m as 及其合作者认为 , 纤维型双相组织能最有效地传输载荷〔 3 , 减 ’ 。纤维状马氏体与铁素体的界面处 , 原子有良好的配置〔 ` ’ ; 而岛型 (或块型 ) 双相组织在拉拔形变时易产生空洞 ` 5 , 6 ’ ; 文献〔7 一 9 〕研究表明 , 低碳硅锰双相钢 , 以纤维或岛型双相组织均可成功制成高强度制绳用钢丝。在双相钢研究中 , 关于硅对纤维型双相组织形成、变化的影响 , 尚未见报导。本文在保持钢中碳、锰含量相近的情况下 , 研究硅对纤维型双相组织形成、变化的影响 , 以便能更好地控制双相组织 , 获得最佳的力学性能。 1 试验用钢及试验方法 1 . 1 试验用钢试验用钢的化学成分和临界点如表 1 所示 , 钢由S Ok g 真空感应炉冶炼。热轧成小8 。 4 m m 的盘条 , 终轧温度 8 50 ℃ 。采用膨胀法测定了试验用钢的临界点。表 1 试验用钢的化学成分 ( w t % ) 和临界点 ( ℃ ) T a b l e 1 A n a l y s i s o f e x p e r i m e n t a l s t e e l s ( w t % ) a n d e r i t i e a l t e m p e j a t u r e ( ℃ ) 化学成分 , w t % 临界点 , ℃ 钢代号 5 1 5 月 e 一通 e s 八石ù口On 月勺0 1/ 确口“山勺O ù八O丹O月 2 n.J 内门了` 0 C 7 D 0 。 0 9 0 。 0 9 0 。 0 9 2 一 2 1 2 。 1 9 2 一 17 0 。 4 2 0 。 9 7 。 0 1 。 0 1 1 。 7 0 0 。 0 1 0 。 0 0 9 0 。 0 0 9 0 。 0 0 9 1 。 2 试验方法小s m m x 1 0 m m 试样采用的双淬火工艺如下 : 一次淬火 T : 二 1 1 0 0 ℃ , 二 : = 3 o m in ; 二次淬火采用不同的温度 ( T 。 )和时间 (与 ) 。二次淬火时的过热度用 △T 。表示 , 即二次加热温度与 A 。 : 之差。采用金相定量法测定了马氏体纤维的平均间距及体积百分数。定量结果的相对误差不超过 3 % 。定量用的显微组织经 L o P e ar 试剂着色。利用扫描电镜及透射电镜 , 观察了组织的形貌及精细结构。扫描用试样经 4 % 硝酸酒精浸蚀。 2 试验结果及讨论试验用钢热轧态组织均为岛形马氏体加铁素体双相组织。一次淬火后 , 3 种钢的组织均为板条马氏体。钢经一次淬火后 , 在 ( “ 十力两相区给定温度加热不同时间后组织变化有以下特点 : ( 1) 二次淬火加热保温时间对马氏体纤维平均间距的影响试验用 3 种钢在△T 。、 10 ℃ 时 , 保温时间对马氏体纤维 (高温时为奥氏体 , 淬火后为马氏体 ) 平均间距 ( L ) 的影响 , 结果如 5 5 5

图1所示。所得结果表明，3种钢马氏体纤维平均间距与保温时间(t)的关系都存在着由小变大再变小（出现蜂值）后又变大的现象。这一现象可能与初始时奥氏体仅在一些有利的位置 (如M、C富集的地方)形核，随后发生奥氏体纤维的合并以及一些原来不利的位置后来也有形核长大的奥氏体出现，从而导致出现峰值。进一步保温则可能又与纤维的合并有关。马氏体纤维平均间距的这种变化特征在(0.09C、1.50Si、1.72Mn)钢及(0.06C、1.40Si,2.10Mn) 钢中初次观察到。值得注意的是，当保温时间在30mi以内时，在同样保温时间条件下，C、 D、E3种钢马氏体纤维平均间距值依次增大。当保温时间超过30min,随钢中硅含量的增多，马氏体纤维平均间距的粗化率减少。保温时间为120m时，E钢(1.70%Si)马氏体纤维平均间距最小（见图1）。 601 C Steel 7.00 670℃ 40 6.00 5.00 4.00 5.00 0 20 40 60 80 100 120 2.00 () TI /min 20 0 60 80 100120 0. D Steel 元0北 7.00 0 Stee- 60 6.D0 三5.00 4.00 40 3.00 2.00 0 20 60 40 10 40 80100120 100120 1 .min 6 立/min E Steel .0 3:0 复-70c 复5.0w 62 4.00 40 3.00 2,00L 40 6 100 1t1 20 (c Te.m:n 0 20 40 60 80 100120 (E) 红/m1n 图1 在过热度△T≈10℃附保温时间对马氏体纤维平均图1 在过热度△TI≈10℃时保温时间对马氏体（纤维）间距的影响体照百分数的影响 Fig.1 Average spacing of martensitic Fig.2 Volume percent of martensitic fibrous vs.holding time(△Tn≈ fibrous vs..holding time(△Ti≈ 10℃) 10℃) 注：图中各试验点的位置信水平均为95.1%，以下各图同此 (2)二次淬火加热保温时间(t)对马氏体纤维体积百分数(vol%)的影响试验用钢在4T:≈ 10℃时，保温时间对马氏体纤维体积百分数的影响，结果如图2所示。可以看出，随保温时间的延长，马氏体量呈线性增大。3种钢马氏体量的增大速率相近。在同样条件下，C、D、E3 种钢马氏体纤维体积百分数依次增大（如T:=10min)。 (3)二次淬火加热温度对组织形貌的影响（加热时间为10min) 试验钢的扫描电镜观 556

图 1 所示。所得结果表明 , 3 种钢马氏体纤维平均间距与保温时间 (与 ) 的关系都存在着由小变大再变小 ( 出现峰值 ) 后又变大的现象。这一现象可能与初始时奥氏体仅在一些有利的位置 ( 如 M n 、 C富集的地方 ) 形核 , 随后发生奥氏体纤维的合并以及一些原来不利的位置后来也有形核长大的奥氏体出现 , 从而导致出现峰值。进一步保温则可能又与纤维的合并有关。马氏体纤维平均间距的这种变化特征在 ( 0 . o g C 、 i 。 5 0 5 1 、 i . 7 2 M n ) 钢及 ( 0 。 o 6 C 、 1 . 4 0 5 1 、 2 . 1 0M n ) 钢中初次观察到。值得注意的是 , 当保温时间在 30 m in 以内时 , 在同样保温时间条件下 , C 、 D 、 E 3 种钢马氏体纤维平均间距值依次增大。当保温时间超过 30 m in , 随钢中硅含量的增多 , 马氏体纤维平均间距的粗化率减少。保温时间为 1 20 m in 时 , E 钢 ( 1 。 70 肠iS ) 马氏体纤维平均间距最小 ( 见图 1 ) 。叫胡洛。 6040 ` 上叫习芝口su。白 7 。 DO 6 OD 导: . 0 0 召。 0 0 乡 . 0 9 卫 . 00 。 : 。。。 : } { 一、流 { 一了户卜一忙日厂卜 C s t 日e l 汗夕产 l _ ,己 { 夯羚洲匕/ 习 { } } 几向加 2 0 今Q 6 0 气。 : 。吕0 1 0 0 1之 0 了 . 日O 乙 ` DO 刃问习山芝的山。0u 子 . OU 2 . 口U { : 二 { \ 。 ℃ 0 5七已已二 1 一护公一尸井市一 r 一一 l1 . 1l l D S赶c 日 1 愿曰压0七尹洲产七{产犷口护尸口尹 { ! 尸险 / 。 i n 万 m 盆〔穷t . 巴 1 吸几 . 踌/ 1 }尸卜洲 r 产尸`州件厂 ’ O 声七欲冲TO叭 nUn 名峙é 2 俐叫刹工。曰口0ua l 日` r 月 l ~ 一〕二了了0 ℃ ! 万一 ! 外不l {l 甘 l 分 ` 「l { — r 一乳认民粼孔么加即00 一刁c ù 、闷今口 6 {于吕〔了 1 0 0 勺二〔图 1 在过热度△ T l 、功℃ 时保温时间对马氏体纤维平均间距的影响 F 19 。 1 A v e r a g e s p a e i n g o f m a r t e n s i t i e f i b r o u s v s . h o l d i n g t i m e ( △ T n岛 1 0℃ ) 注 : 图中各试验点的位置信水平均为9 5 。理% , 以下各图同此 ( : ) ’ 宛 rn/ i n 图 1 在过热度 △ T l 、 10 ℃ 时保温时间对马氏体 (纤维 ) 体彩百分数的影响 F i g . 2 v o l o m e P e r c e n t o f m a r t e n s i t i c f i b r o u s v s . h o l d i n g t i m e ( △ T 五侣 10℃ ) ( 2 ) 二次淬火加热保温时间 ( : ) 对马氏体纤维体积百分数 (Vo ’ % ’ 的影响妙卿燮子叮 1。 ℃时 , 保温时间对马氏体纤维体积百分数的影响 , 结果如图 ” 所示。可只意出 , 随梦瞥叮些的延长 , 马氏体量呈线性增大。 3 种钢马氏体量的增大速率相近。在同样条件下 , 七、 U 、 “ ` 种钢马氏体纤维体积百分数依次增大 ( 如 ` : 二 10 m i n) 。 ( 3) 二次淬火加热温度对组织形貌的影响 ( 加热时间为 I Om i n) 试验钢的扫描电镜观 5与6

察结果如图3所示。结果表明，C钢(0.42%S)在820℃加热，淬火组织中出现块状马氏体区域（系板条马氏体，体积百分数为28.0%）；840℃加热淬火后，块状马氏体体积百分数为 55,2%;870℃加热后，不再有纤维双相组织，几乎全部变为块状（典型板条形貌）马氏体加少量铁素体。D钢(0.97%Si)在850℃加热后，块状马氏体体积百分数为16.1%；在860℃ 加热后，块状马氏体体积百分数为54.7%；880℃加热后，不再有纤维型双相组织，组织特征与图3(d)类同。E钢(1.70%S)890℃加热后，块状马氏体体积百分数为12.9%；纤维型双相组织消失的加热温度将更高。 ():Tm=790℃，纤维双相组织：(b):Tn=820℃，纤维双相组织+块状马氏体(28%)， (C):T亚=840℃，纤维双相组织+块状马氏体(55.2%)：(d):T1=870℃，块状马氏体（板条）+少昼佚素体图3第二次谇火加热湿度对C钢(0.42%iS)组织形貌的影响(SEM),tⅡ=10min Fig.3 Microstructure shape of 2nd as-quenched steel C (rm=10min.) (4)二次淬火加热温度对马氏体体积百分数的影响。3种试验钢的测定结果如图4所示。结果表明，随加热温度升高，纤维状马氏体及块状马氏体体积百分数增大。由图中块状马氏体曲线内延可得，在Tm=10min条件下；C钢开始形成块状马氏体的温度约为800~810 ℃；D钢和E钢分别相应为840~850℃和880~890℃。由此可见，钢中硅含量每增多一倍，块状马氏体开始形成（即纤维型双相组织开始消失）的温度约升高40℃。 (5)D钢经一次淬火后，在(a+y)两相区较低(Tm=750℃)和较高(Tm=850℃)温度加热10min后的纤维组织如图5、6所示。从图5可以看出，纤维马氏体的形成导致邻近条状铁素体内产生大量位错（呈位错胞状结构）；纤维马氏体本身为内李晶及位错的混合型结构。图6表明，同样，纤维马氏体的形成导致邻近仍呈条状特征的铁素体内产生大量位错（呈位错胞状结构)；纤维马氏体则为位错型板条马氏体。 557

察结果如图 3 所示。结果表明 , C 钢 ( 0 . 42 % iS ) 在 82 0 ℃ 加热 , 淬火组织中出现块状马氏体区域 ( 系板条马氏体 , 体积百分数为 2 8 . 0 % ) ; 8 40 ℃ 加热淬火后 , 块状马氏体体积百分数为 5 5 . 2 % ; 87 0 ℃ 加热后 , 不再有纤维双相组织 , 几乎全部变为块状 ( 典型板条形貌 ) 马氏体加少量铁素体。 D 钢 (0 . 97 % iS ) 在 85 0 ℃ 加热后 , 块状马氏体体积百分数为 1 6 . 1 % ; 在 8 60 ℃ 加热后 , 块状马氏体体积百分数为 54 . 7 % ; 8 0 ℃ 加热后 , 不再有纤维型双相组织 , 组织特征与图 3 ( d) 类同。 E 钢 ( 1 . 70 % iS ) 8 9 0 ℃ 加热后 , 块状马氏体体积百分数为 1 2 . 9 % ; 纤维型双相组织消失的加热温度将更高。 (a ) : T n 二 79 叱 , 纤维双相纽织 ; ( b ) : T l = 8 20 ℃ , 纤维双相组织 + 块状马氏体 ( 28 % ) , c( ) : T n 二 84 0℃ , 纤维双相组织十块状马氏体(5 5 . 2% ) ; d( ) : T n = 名 70 ℃ , 块状马氏体 (板条 ) + 少量铁素体图 3 第二次淬火加热温度对 C 钢 (。 . 4 2 % 1 5) 组织形貌的影响 s( B M ) , r n = 10 m in F 19 . 5 M i e r o s t r u e t u r e s h a p e o f Z n d a s 一 q u e n c h e d s t e e 1 C ( : : = i o m i n . ) (4 ) 二次淬火加热温度对马氏体体积百分数的影响。 3 种试验钢的测定结果如图 4 所示。结果表明 , 随加热温度升高 , 纤维状马氏体及块状马氏体体积百分数增大。由图中块状马氏体曲线内延可得 , 在丁。二 l o m in 条件下 ; C 钢开始形成块状马氏体的温度约为 80 0 一 81 0 ℃ ; D 钢和 E 钢分别相应为 84 0 一 8 50 ℃ 和 8 0 ~ 89 0 ℃ 。由此可见 , 钢中硅含量每增多一倍 , 块状马氏体开始形成 ( 即纤维型双相组织开始消失 ) 的温度约升高 4。 ℃ 。 (5 ) D 钢经一次淬火后 , 在 a( 十仲两相区较低 ( T : = 7 5 0 ℃ )和较高 ( T 。二 8 5 0 ℃ ) 温度加热 1 0 m in 后的纤维组织如图5 、 6所示。从图 5 可以看出 , 纤维马氏体的形成导致邻近条状铁素体内产生大量位错 ( 呈位错胞状结构 ) ; 纤维马氏体本身为内李晶及位错的混合型结构。图 6 表明 , 同样 , 纤维马氏体的形成导致邻近仍呈条状特征的铁素体内产生大量位错 ( 呈位错胞状结构 ) ; 纤维马氏体则为位错型板条马氏体。 5 5 7

( a ) F 19 . 纤维双相组织 F ( 十 M ) b ) (马氏体纤维中位错型马氏体图 6 钢二次D 淬火 ( T n = 5 8 。℃ 后) 纤维组织 E M( T) D u a l 一 P h a s e s t r u e t u r e o f s t e e l D n ( T 二 s s o .c , T E M ) 3 结论 ( l) 试验用低碳硅锰双相钢 , 在双淬火工艺条件下 , 当 A T 。、 10 ℃ , 丁。 > 3 o m in 时 , 随钢中硅含量的增多 , 马氏体纤维 ( 平均间距 ) 的粗化率减小。 ( 2) 试验用钢在双淬火工艺条件下 , 在 a( + 川两相区短时间 ( l o m in ) 加热 , 钢中硅含量高时 , 在较高温度 ( T n ) 加热淬火仍可得到纤维状双相组织 ; 硅含量低时 , 则容易得到块状马氏体 ( 纤维状消失 ) 。 ( 3 ) C 钢 ( 0 . 4 2 % 5 1 ) 、 D 钢 ( 0 . 9 7 % 5 1 ) 、 E 钢 ( 1 . 7 0 % 5 1 ) 在丫 n = i o m i n 时 , 开始形成块状马氏体的温度 ( 或纤维状马氏体开始消失的温度 ) 分别为 8 0 一 81 0 ℃ , 8 4 0 一 8 50 ℃ , 8 。一 89 。℃ 。表明钢中硅含量每增加一倍 , 该温度约升高 40 ℃ 。 (4 ) 适当提高钢中硅含量 ( 如 1% 左右 ) , 并同时适当提高 a( + 妇两相区二次加热温度 (如 84 0 ℃ 左右 ) , 这样就可得到纤维平均间距较小、又是位错型亚结构的纤维双相组织。参考文献 T h o m a s G . P C T , W O 8 4 / 0 2 3 4 5 , 1 9 8 4 , 0 6 2 1 N a k a g a w a A H , T h o m a s G . M e t . T r a n s . , 1 6 A , M a y , 1 9 8 5 , p p 8 3 1~ 8 4 0 T h o m a s G , A h n J H . L a w r e n e e B e r k e l e y L a b o r a t o r y U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a , L B L 一 2 0 1 4 1 , . A u g , 1 9 8 5 T h o m a s G . T h e P h y s i e a l M e t a l l u r g y a n d A l l o y D e s i g n o f D u a l 一 p h a s e S t e - e 1 5 , F r o n t i e r s i n M a t e r i a l s T e e h n o l o g i e s , e d i t e d b y M . A . M e y e r s a n d 0 . T . I n a l , N e t h e r l a n d s , 1 9 8 5 , p p . 8 9 一 1 2 3 S i d j a n i n L , M i y a s a t o S , T h o m a s G . W i r e J o u r n a l I n t e r n a t s o n a l , D e e . , 1 9 8 7 , P 4 1 徐涛 . 北京科技大学硕士学位论文 , 1 9 8 8 冶金部金属制品研究所 , 北京科技大学 . 热处理型双相钢制绳钢丝的研究 , 冶金部技术鉴定证书 , ( 8 8 ) 冶科轧字第4 6 6号 , 2 9 8 8 . 1 0 , 2 9 徐苏 . 北京钢铁学院硕士学位论文 , 1 9 8 7 徐苏 , 田踪 , 宋沂生 , 李承基等 . 金属制品 , 1 9 9 0 , 16 ( 2 ) : 1 一 5 自口190 5 5 9