新颖的贝氏体/铁素体双相低碳微合金钢

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2003.03.052 第25卷第3期 北京科技大学学报 Vol.25 No.3 2003年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2003 新颖的贝氏体/铁素体双相低碳微合金钢 尚成嘉杨善武王学敏贺信莱 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要利用特殊微合金设计及终轧控冷工艺得到超细贝氏体/铁素体双相低碳微合金钢. 该钢的组织由原奥氏体晶界上及晶粒内部的约5m的准多边形铁素体及超细化的贝氏体板 条束组成.铁素体的体积分数约20%.该双相低碳微合金钢的强度比同成分的全贝氏体钢略 低，但其延伸率却大幅度提高.采取适当的回火处理，该双相钢屈服强度可达到700Pa,而 延伸率大于25%，是一种具有高强度、高塑性的新型低碳微合金双相钢. 关键词低碳微合金钢；超细贝氏体/铁素体双相钢；高强度；高塑性 分类号TG142.1 为了提高强度通常利用贝氏体或马氏体作 1.6,Si0.35,Nb0.04,以及微量Cu,Mo,Ti,B等.由 为主要组织四同时利用各种细化手段1，期望得 大生产转炉冶炼.钢坯在1150℃加热，经两阶段 到更高的强度及韧性.在利用细化的马氏体贝 控轧及独特的控制冷却工艺，最终轧成8mm板， 氏体组织强化时，高强度级别(a,>700MPa)微 加工成5mm纵向标准拉伸试样，在箱式炉中回 合金钢的延伸率一般不高，通常只能达到6= 火.利用扫描电镜(SEM)进行组织观察，力学性 15%~20%可.而低强度级别的铁素体珠光体钢的 能为两个样品的平均值 延伸率可高达20%~40%.然而，在某些特定用途 中，对高强度结构钢一方面要高强度，同时还要 2实验结果 求很好的塑性及可加工性 微合金钢在其连续冷却转变过程中，由于成 图1是利用特殊工艺得到的超细贝氏体/铁 分、冷却速度、原奥氏体形变等条件的影响，会得 素体双相低碳微合金钢的典型组织，由图1可 到包括铁素体、准多边形铁素体、针状铁素体、粒 见，该钢中存在两类主要组织.基体是细化的板 条贝氏体组织，平行的一组板条相互交叉、互相 状贝氏体、贝氏体铁素体以及马氏体等不同组 截断成46m的板条束.板条间存在残余奥氏 织，同时还会有残余奥氏体等第二相.这些相的 体薄膜，板条束之间还有不规则粒状贝氏体或针 类型、数量等对最终力学性能都会有重要的影 状铁素体存在.已有工作表明四，这种细化的基体 响.对于如何得到轧态多相组织微合金钢已有一 些报道 组织有较高的强度及韧性.另外，基体中还明显 本文将介绍一种新颖的控轧控冷贝氏体/铁 存在有一定体积分数的准多边形铁素体；它们分 布在原奥氏体晶界上或晶内，呈申状.由于准多 素体双相微合金钢.通过微合金设计及特殊的机 械热处理(TMCP)工艺控制，能得到一种超细贝 边形铁素体的出现使得原奥氏体晶界不清楚.一 氏体/铁素体双相组织，并研究其组织、性能. 串串铁素体将板条贝氏体分割.准多边形铁素体 的尺寸也很细（如图1(b)所示），大约为45m, 1实验过程 铁素体的体积分数大约在20%左右，在整个试样 中分布较均匀. 实验钢的成分（质量分数%）为：C0.08,Mn 上述贝氏体/铁素体双相低碳微合金钢与同 收稿日期200302-17尚成嘉男，40岁，副教授 成分超细贝氏体钢的对比如图2.双相钢的屈服 *国家重大基础研究"973”项目(No.19980601507),中信- 强度o,比贝氏体钢略低，但仍大于800MPa,双相 CBM①M铌钢研究与开发项目及教育部骨干教师基金

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 新颖的贝 氏体 铁素体双相低碳微合金钢 尚 成 嘉 杨 善 武 王 学敏 贺信 莱 北京科技大学材料科学与工程学 院 ， 北京 摘 要 利用 特殊微合金设计及终轧控冷工艺得到超细 贝 氏体 铁素体双相低碳微合金钢 该钢 的组织 由原奥 氏体晶界上及 晶粒 内部的约 阿 的准多边形铁素体及超细化 的贝 氏体板 条束组成 铁素体的体积分数约 该双相低碳微合金钢 的强度 比 同成分的全贝 氏体钢略 低 ， 但其延 伸率却大 幅度提高 采取适 当的回火处理 ， 该双相钢屈 服强度 可达到 ， 而 延伸率大于 ， 是一种具有高强度 、 高塑 性 的新型 低碳微合金双相钢 关键词 低碳微合金钢 超细 贝 氏体 铁素体双相 钢 高强度 高塑性 分类 号 为 了 提高 强 度通 常利 用 贝 氏体或 马 氏体作 为主要组织 【 同时利用各种 细化手段 ‘， ， ， 期 望得 到更高的强 度及 韧性 在利用 细 化 的马 氏体 贝 氏体组 织 强 化 时 ， 高强 度 级别 微 合金 钢 的 延 伸 率一 般不 高 ， 通 常 只 能 达 到 民 巧 口〕 而低 强 度级别 的铁素体珠 光体钢 的 延 伸率可 高达 然 而 ， 在 某些 特定用 途 中 ， 对高强 度结构钢一 方面要 高强 度 ， 同时还 要 求很好 的塑 性及 可 加 工性 微合金钢在其连续冷却转变过程 中 ， 由于成 分 、 冷却速度 、 原奥 氏体形 变等条件 的影 响 ， 会得 到包括铁素体 、 准多边形铁素体 、 针状铁素体 、 粒 状 贝 氏体 、 贝 氏体铁素体 以及 马 氏体等不 同组 织 ， 同时还会有 残余奥 氏体等第二相 这些 相 的 类 型 、 数量 等对最 终力 学 性 能 都会有 重 要 的影 响 对于如何得 到轧态 多相组织微合金钢 已有一 些 报道 附 本文将 介 绍 一 种新颖 的控 轧控冷 贝 氏体 铁 素体双相微合金钢 通过微合金设计及特殊 的机 械热处理 工 艺控制 ， 能得 到一 种超 细 贝 氏体 铁素体双相 组织 ， 并研究 其组 织 、 性 能 ， ， ， 以及微量 ， ， ， 等 由 大生 产转 炉 冶炼 钢坯 在 ℃ 加 热 ， 经 两 阶段 控 轧及 独 特 的控制冷却 工 艺 ， 最 终轧 成 。 板 ， 加 工 成杯 纵 向标准拉 伸试样 ， 在箱式炉 中回 火 利 用 扫描 电镜 进行组织 观察 ， 力 学性 能为 两个样 品 的平均值 实 验过 程 实验钢 的成 分 质量分数 为 收稿 日期 刁 尚成嘉 男 ， 岁 ， 副教授 国家重大基础 研究 ， ” 项 目 ， 妮钢研究 与开发项 目及教育部骨干 教师基金 实 验结 果 图 是 利用 特殊工 艺 得 到 的超细 贝 氏体 铁 素体双相 低碳微合金 钢 的典型 组 织 由 图 可 见 ， 该钢 中存在两类 主要 组 织 基体是 细化 的板 条贝 氏体组织 ， 平行 的一 组板条相 互交叉 、 互相 截 断成 中小 帅 的板条束 板条 间存在 残余奥 氏 体薄膜 ， 板条束之间还 有不规则 粒状 贝 氏体或针 状铁素体存在 已有工作表 明‘ ， 这种细化 的基体 组 织 有 较 高的强 度及韧性 另 外 ， 基体 中还 明显 存在有一 定体积分数 的准 多边形铁素体 它们分 布 在 原 奥 氏体 晶界上或 晶 内 ， 呈 串状 由于 准 多 边形铁素体 的 出现使得原 奥 氏体 晶界不清楚一 串串铁素体将板条 贝 氏体分割 准 多边形 铁素体 的尺 寸也很细 如 图 所示 ， 大约 为中小 阿 ， 铁素体 的体积分数大约 在 左右 ， 在整个试样 中分布较 均 匀 上 述 贝 氏体 铁素体双相低 碳微合金 钢 与 同 成分超细 贝 氏体钢 的对 比如 图 双相钢 的屈 服 强 度 氏 比 贝 氏体钢 略低 ， 但仍大于 ， 双相 中 ， 场停 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．03．052

Vol.25 No.3 尚成嘉等：新颖的贝氏体/铁素体双相低碳微合金钢 ·289· (b) 图1典型的贝氏体/铁素体双相组织.(a)低倍SME像，b)高倍SME像 Fig.1 SME plotographs of bainte/ferrite dual-phase low-carbon microalloying steel 1.2 40 对于o达到700MPa级的高强度微合金钢， 1.0 ☑o, 25%以上的延伸率能够满足成型加工的特殊需 0.8 求.另外该双相低碳微合金钢的冲击韧性很高. 当回火温度分别为轧态，500,600,650,680℃时其 0.6 208 冲击功分别62,62,60,68,59J(-20℃，冲击功为半 0.4 0 宽度试样结果).图4是贝氏体/铁素体双相钢冲 0.2 击试样侧边二次裂纹的扩展情况.可见，当裂纹 0 穿过铁素体时，裂纹受阻，并重新形核，在铁素体 双相钢 全贝氏体 图2贝氏体/铁素体双相低碳微合金钢与同成分的全 内有撕裂的特征（如图4中箭头所示）.这说明， 贝氏体钢的强度及延伸率对比 铁素体在基体中对塑性及韧性起着重要作用. Fig.2 Strength and elongation of bainite/ferrite dual-phase steel and fine bainite steel 钢的延伸率6，高达22%，这比贝氏体钢的17%要 高.由此可见，对于贝氏体/铁素体双相低碳高强 度微合金钢，强度虽比贝氏体钢略低，但延伸率 却明显升高 图3是该双相钢经过不同温度回火1h后的 力学性能.同样可见，经500650℃回火时发生少 量时效硬化，强度上升，延伸率变化不大.当回火 温度到680℃时，a,下降到720MPa,抗拉强度为 图4贝氏体/铁素体双相钢的冲击试样的二次裂纹 780MPa,但d,可稳定达到25%以上 Fig.4 The second crack in an impact specimen of dual- 1.0 40 phase low-carbon microalloying steel 35 3结论 0.8 30 (I)通过特殊微合金设计及控轧和冷却工艺 25 60.6 能得到贝氏体/铁素体双相低碳微合金钢，铁素 20 体分布在原奥氏体晶界及晶粒内，铁素体晶粒尺 寸较细，所占体积在20%左右.另外基体中主要 0.4 315 550 600 650 700 为板条状贝氏体，贝氏体板条束的尺寸也很细. 01℃ (2)该双相钢与同成分的全贝氏体钢对比，屈 图3贝氏体/铁素体双相低碳微合金钢的力学性能随 回火温度的变化.回火时间1h 服强度略有降低，但是延伸率却得到明显的提 Fig.3 Mechanical properties of the dual-phase steel after 高，680℃回火后的双相钢的屈服强度大于700 tempering for 1 h at different temperatures MPa,延伸率大于25%

】 一 尚成 嘉 等 新 颖 的 贝 氏体 铁 素体双相 低碳微 合 金钢 · · 一 一 圈 鲤 。 」 娜 氏 】 一 瓦 双相钢 全贝 氏体 图 贝 氏体 铁素体双 相低碳微合金钢 与 同成分 的全 贝 氏体钢 的强度 及 延伸 率对 比 · 五 对 于 氏 达 到 级 的 高强 度微合金 钢 ， 以 上 的 延 伸 率能 够 满 足 成 型 加 工 的 特 殊 需 求 另 外 该双相 低碳微 合 金钢 的 冲击韧 性很 高 当 回 火 温 度 分别 为 轧 态 ， ， ， ， ℃ 时其 冲击功 分别 ， ， ， ， 卜 ℃ ， 冲击 功 为半 宽 度试样结 果 图 是 贝 氏体 铁 素体双相 钢 冲 击试样侧 边 二次 裂 纹 的扩展 情 况 可 见 ， 当裂 纹 穿过铁素体时 ， 裂 纹受 阻 ， 并重新形 核 ， 在铁素体 内有撕裂 的特征 如 图 中箭头 所示 这说 明 ， 铁素体在基体 中对 塑 性及韧 性起 着 重 要 作用 、芝 钢 的延 伸率 民 高达 ， 这 比贝 氏体 钢 的 要 高 由此 可 见 ， 对于 贝 氏体 铁素体双相低碳 高强 度微合金 钢 ， 强 度虽 比 贝 氏体钢 略低 ， 但 延 伸率 却明显 升 高 图 是该 双相 钢 经 过不 同温 度 回火 后 的 力学性 能 同样可 见 ， 经 一 ℃ 回火 时发生 少 量 时效硬化 ， 强度 上 升 ， 延伸率变化不 大 当 回火 温度 到 ℃ 时 ，氏下 降到 ， 抗 拉强 度 氏 为 ， 但民可 稳 定达 到 以上 图 贝 氏体 铁 素体双 相 钢 的 冲击试样 的二 次 裂 纹 一 结 论 傀︸、 ‘︶ 罗 心 ‘ 一 口 ℃ 图 贝 氏体 铁素体双 相低碳微合金 钢 的力 学性 能 随 回 火温 度 的变化 ， 回 火 时 间 而 兔 通 过特殊 微合金设计及 控 轧 和 冷却工 艺 能得 到 贝 氏体 铁 素体双 相 低碳微合 金 钢 ， 铁 素 体分布在原 奥 氏体 晶界及 晶粒 内 ， 铁素体晶粒 尺 寸较 细 ， 所 占体积在 左 右 另 外 基体 中主 要 为板 条状 贝 氏体 ， 贝 氏体板 条束 的尺 寸也很 细 该双相 钢 与 同成分 的全 贝 氏体钢对 比 ， 屈 服 强 度 略 有 降低 ， 但是 延 伸率却 得 到 明 显 的提 高 ， ℃ 回火 后 的 双 相 钢 的屈 服 强 度 大 于 ， 延 伸率 大 于 、芝口曰

·290· 北京科技大学学报 2003年第3期 参考文献 4 Sudo M,Iwai T,Hashimoto S,et al.Effect of controlled cooling on the mechanical properties of as-hot-rooled 1 de Ardo A J.Muti-phase microstructures and their proper- muti-phase steel sheets [A].Southwick P D.Accelerated ties in high strength low-carbon steels [J].ISIJ Inter, Cooling of steel [C].Warrendale:TMS-AIME,1986.501 1995,35(8):946 2 Chiou CS,Yang JR,Huang C Y.The effect of prior com- 5 Coldren P,Tither G.Development of a Mn-Si-Mo as ro- oled dual-phase steel [J].J Met,1978,30:6 pressive deformation of austenite on thoughness property 6 Rodrigues P C M,Pereloma E V,Santos D B.Mechanical in an ultra-low carbon bainitic steel [J].Mater Chem Phys, properties of an HSLA bainitic steel subjected to control- 2001.69:113 3尚成嘉，杨善武，王学敏，等.RPC对8O0MPa级低合 led rolling with accelerated cooling [J].Mater Sci Eng, 金高强度钢的影响).北京科技大学学报，2002,24 2000,A283:136 (2):129 A Bainite/Ferrite Dual-Phase Low-carbon Microalloying Steel with High Strength and Ductility SHANG Chengjia,YANG Shanwu,WANG Xuemin,HE xinlai Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT A ferrite/bainite dual-phase low-carbon microalloying steel has been obtained by special microal- loying design and optimum thermo-mechanical control process(TMCP).The microstructure shows that there are some amounts of ferrite/quasi-polygonal ferrite on the prior-austenite boundary and/or within the grains,and the rest of matrix is ultra-fine lath-like bainitic ferrite.The ferrite grain size is also very fine(about several microns )The mechanical properties of this kind of dual-phase steel show that the yield strength do not decrease obviously com- paring with the ultra-fine bainitic steel,but the elongation increases.For a 700 MPa grade dual-phase steel(temper- ing at 680C for Ih),the elongation is more than 25%.This kind of dual-phase low-carbon microalloying steel has the advantages of more than 700 MPa grade strength and good ductility. KEY WORDS low carbon microalloying steel;bainite/ferrite dual-phase;high strength and ductility

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 参 考 文 献 一 叮 一 ， ， ， 丫切 民 丫 月 ， ， 尚成嘉 ， 杨善武 ， 王学敏 ， 等 对 级低合 金高强 度钢 的影 响 明 北京科技大学学报 ， ， ， ， ， 一 研厄 一 ， ， 一 一 一 刀 ， ， ， ， 即 月 ， ， 邝 一 一 任咬万 刀舒， ， 洲刃 ， 百 ， ， ， 一 叮 币 匆 巾 示 州 呵 阴山 ， 一 耐 一 如 一 ， 一 ℃ ， 五 一 一 飞 一