D0I:10.13374/i.issnl001t03.2009.12.017 第31卷第12期 北京科技大学学报 Vol.31 No.12 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 预变形方式对微合金钢中贝氏体热稳定性的影响 吕海青杨善武孙超张瑞贺信莱 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要采用光学金相、硬度测量结合透射电镜观察，研究了经过弯曲或扭转变形的含铌微合金钢在等温受热时的组织稳定 性问题.研究发现：弯曲与扭转变形都可以大幅度提高微合金钢的硬度：在随后的550℃等温受热过程中，弯曲变形区的硬度 迅速下降，同时伴随贝氏体向平衡组织的演变：而扭转区在等温过程中的硬度始终高于未变形区，同时钢中贝氏体组织基本 得以保持·扭转应变量越大，硬化效果越强，并且在随后的等温受热过程中能保持这种硬度上的优势.弯曲与扭转变形均导 致贝氏体板条内位错密度显著增加.弯曲变形区的位错分布不均匀，其中的低位错密度区易于在随后的等温受热过程中演变 为平衡组织多边形铁素体的形核核心：而扭转变形区内位错分布均匀，并且在随后的等温受热过程中位错分布不发生显著改 变。这些结果表明，不同的冷变形方式对微合金钢中贝氏体热稳定性的影响存在显著差异， 关键词微合金钢：预变形：贝氏体；热稳定性 分类号TG142.33:TG151.1 Influence of pre-deformation on the thermal stability of bainite in a microalloyed steel LU Hai-qing.YA NG Shan-wu,SUN Chao,ZHA NG Rui.HE Xin-lai School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI Optical microscopy,hardness measurement and transmission electron microscopy (TEM)were employed to investigate the thermal stability of microstructures in a Nb-bearing microalloyed steel during isot hermal holding.which had been curved or twist- ed before being heated.It is found that both curving and torsion increase the hardness of the microalloyed steel in a large scale.In subsequent isothermal holding at 550C,the hardness of the zone subjected to curving drops rapidly in company with the evolution of bainite towards equilibrium microstructure while the hardness of the zone undergoing torsion is higher than that of the undeformed zone all the time and bainite remains in the zone.The larger the torsion degree is,the stronger the hardening effect is.The higher hardness can be preserved during isothermal holding.Both curving and torsion result in an obvious increase of dislocation density in bainite laths.Dislocations distribute inhomogeneously in the curved zone and polygonal ferrite tends to nucleating at sites with low dis- location density during subsequent heating,while dislocations distribute homogeneously in the twisted zone and do not markedly change the distribution during subsequent isothermal holding.These results indicate that different deformation methods produce dif- ferent influences on the thermal stability of bainite in a microalloyed steel. KEY WORDS microalloyed steel:predeformation:bainite:thermal stability 组织细化是开发新一代钢铁材料的核心技术， 度的更高追求导致了由细化的非平衡组织构成的钢 组织细化作为唯一能同时提高强度与韧性的强化途 种的出现2.依据热力学原理，细晶的热稳定性 径，在目前备受重视，成为结构材料发展的基本趋势 低，实际处于亚稳态，一旦受到热扰动，有可能发生 之一，随着变形诱导铁素体相变等新技术山的发展 粗化；而细化的非平衡组织向粗大的平衡组织演化 应用，目前已可将商业钢中铁素体晶粒尺寸细化到 的驱动力则更大].非平衡组织粗化和向平衡组 1m左右，使钢材的强度、韧性成倍提高，对钢材强 织演变都将导致钢材性能的大幅度下降，对于实际 收稿日期：2009-04-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50671016) 作者简介：吕海青(1980一)，女，硕士研究生：杨善武(1963-)，男，教授，博士生导师，Emai:yangsw(@mater-ustb:cdcm
预变形方式对微合金钢中贝氏体热稳定性的影响 吕海青 杨善武 孙 超 张 瑞 贺信莱 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 采用光学金相、硬度测量结合透射电镜观察研究了经过弯曲或扭转变形的含铌微合金钢在等温受热时的组织稳定 性问题．研究发现：弯曲与扭转变形都可以大幅度提高微合金钢的硬度；在随后的550℃等温受热过程中弯曲变形区的硬度 迅速下降同时伴随贝氏体向平衡组织的演变；而扭转区在等温过程中的硬度始终高于未变形区同时钢中贝氏体组织基本 得以保持．扭转应变量越大硬化效果越强并且在随后的等温受热过程中能保持这种硬度上的优势．弯曲与扭转变形均导 致贝氏体板条内位错密度显著增加．弯曲变形区的位错分布不均匀其中的低位错密度区易于在随后的等温受热过程中演变 为平衡组织多边形铁素体的形核核心；而扭转变形区内位错分布均匀并且在随后的等温受热过程中位错分布不发生显著改 变．这些结果表明不同的冷变形方式对微合金钢中贝氏体热稳定性的影响存在显著差异． 关键词 微合金钢；预变形；贝氏体；热稳定性 分类号 TG142∙33；TG151∙1 Influence of pre-deformation on the thermal stability of bainite in a microalloyed steel LÜ Ha-i qingY A NG Shan-w uSUN ChaoZHA NG RuiHE Xin-lai School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Optical microscopyhardness measurement and transmission electron microscopy （T EM） were employed to investigate the thermal stability of microstructures in a Nb-bearing microalloyed steel during isothermal holdingwhich had been curved or twisted before being heated．It is found that both curving and torsion increase the hardness of the microalloyed steel in a large scale．In subsequent isothermal holding at550℃the hardness of the zone subjected to curving drops rapidly in company with the evolution of bainite towards equilibrium microstructure while the hardness of the zone undergoing torsion is higher than that of the undeformed zone all the time and bainite remains in the zone．T he larger the torsion degree isthe stronger the hardening effect is．T he higher hardness can be preserved during isothermal holding．Both curving and torsion result in an obvious increase of dislocation density in bainite laths．Dislocations distribute inhomogeneously in the curved zone and polygonal ferrite tends to nucleating at sites with low dislocation density during subsequent heatingwhile dislocations distribute homogeneously in the twisted zone and do not markedly change the distribution during subsequent isothermal holding．T hese results indicate that different deformation methods produce different influences on the thermal stability of bainite in a microalloyed steel． KEY WORDS microalloyed steel；predeformation；bainite；thermal stability 收稿日期：2009-04-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50671016） 作者简介：吕海青（1980—）女硕士研究生；杨善武（1963—）男教授博士生导师E-mail：yangsw＠mater．ustb．edu．cn 组织细化是开发新一代钢铁材料的核心技术． 组织细化作为唯一能同时提高强度与韧性的强化途 径在目前备受重视成为结构材料发展的基本趋势 之一．随着变形诱导铁素体相变等新技术［1］的发展 应用目前已可将商业钢中铁素体晶粒尺寸细化到 1μm 左右使钢材的强度、韧性成倍提高．对钢材强 度的更高追求导致了由细化的非平衡组织构成的钢 种的出现［2—4］．依据热力学原理细晶的热稳定性 低实际处于亚稳态一旦受到热扰动有可能发生 粗化；而细化的非平衡组织向粗大的平衡组织演化 的驱动力则更大［5—7］．非平衡组织粗化和向平衡组 织演变都将导致钢材性能的大幅度下降对于实际 第31卷 第12期 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．12 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．12．017
第12期 吕海青等：预变形方式对微合金钢中贝氏体热稳定性的影响 .1543 使用的材料显然应该避免其发生，这表明，在新一 1.2预应变的施加方法 代钢铁材料的发展中，除了“如何获得细化的非平衡 扭转变形样品的中轴线平行于钢板轧向，样品 组织”这一问题外，还存在一个同等重要的课题，就 的直径为5.5mm,标距内长度为55mm,围绕样品 是“如何保持细化的非平衡组织”. 的中轴线，在室温分别扭转720°与1500°，则在样品 在热扰动导致组织失稳的各种情形中，相对简 上产生纯切变.越靠近样品表面，切变量越大·冷 单同时又非常重要的是钢在A1温度以下受热时的 弯样品实行对折式弯曲，样品厚度约3mm,平行于 组织演化问题，它不涉及结构相变，但可能通过回复 钢板纵剖面切取，弯曲半径为6mm, 和再结晶导致钢的明显软化，杨善武、武会宾 1.3热处理制度 等[8的工作表明，变形奥氏体中的位错如果受到 将经历预变形的样品密封在抽空的石英管内置 纳米尺度的Nb(C,N)析出相钉扎，则转变后形成的 于箱式电炉内，在550℃分别等温0.5~48h,然后 贝氏体具有很高的热稳定性，他们据此推测，在转 取出空冷，以研究不同类型、不同应变量的预变形对 变前于变形奥氏体中形成的析出颗粒对位错的钉扎 样品在受热过程中组织演化的影响， 关系能够保持到相变之后，并对贝氏体在受热时的 1.4硬度测量与显微组织观察 回复、再结晶过程产生阻碍作用，但是，他们的工作 (1)维氏硬度的跟踪测量.对于在550℃分别 未涉及材料受热前的预应变对非平衡组织热稳定性 等温不同时间的各种样品，先将两面用400*砂纸磨 的影响 光，然后顺次磨至1500#砂纸，置于HD945型光学 材料在成形、服役过程中往往会经历范性变形 表面洛氏/维氏硬度仪上进行维氏硬度(HV)测量， 和热扰动，如制造管线时需要对钢板实行弯曲成形 选用载荷为294N,加载30s,每一等温时间取两个 和焊接，建筑用钢也常常要经历预应变、焊接以及火 平行样品，在等变形量位置取四个点取平均值， 灾的考验等，均涉及预应变对显微组织热稳定性的 (2)光学金相观察，样品磨平抛光后，用3%硝 影响问题 酸无水乙醇溶液侵蚀，侵蚀时间约为2min,最后置 预应变会改变材料内的位错密度、位错分布以 于Olympus BX51M金相显微镜下观察并摄照显微 及位错与析出的相互作用状态，其作用效果一般是 组织 非常复杂的，为了便于澄清机制，本文对比研究了 (3)透射电子显微镜(TEM)观察.先将样品经 扭转变形与弯曲变形对贝氏体热稳定性的影响. 过线切割，切成0.4mm的薄片，用800到1500* 的砂纸双面研磨至30~60m,然后冲制成3mm 1材料与实验方法 的小圆片.对3mm的小圆片进行双喷减薄，所用 1.1实验钢的化学成分 的双喷液为5%的高氯酸酒精溶液，电压控制在 实验钢的化学成分如表1所示，钢中加入硼与 50V左右，电流在15mA左右，温度为-20~ 一30℃.然后利用日立公司H800透射电子显微镜 锰主要是为了推迟低碳钢的α转变，加入硅是为 观察高倍下的组织与缺陷形态，工作电压为175kV, 了抑制渗碳体析出，以便在控扎控冷条件下得到以 贝氏体为主的显微组织，钢中只加入了一种强碳化 2实验结果与讨论 物形成元素铌，以保证以后实验中所观测到的析出 2.1等温加热过程中样品硬度的变化 颗粒均为铌的析出相. 图1反映经历不同方式变形样品的硬度在随后 表1实验钢的化学成分（质量分数） 的550℃等温过程中的变化，由硬度曲线可以看 Table 1 Chemical composition of experimental steel % 出，样品的未变形区除了在等温开始阶段有一个硬 C Mn Si Nb B Fe 度下降再回升的阶段外，在等温10h后硬度基本保 0.069 1.280.310.0620.0022 余量 持平稳.弯曲与扭转这两种方式的范性变形都可以 大幅度提高样品的硬度，但在随后的等温受热过程 实验钢由25kg真空感应炉冶炼、热锻后进行 中，两类变形区的表现呈现明显差别， 控制轧制.钢坯轧前厚度为60mm,分两阶段八道 在等温开始阶段，弯曲变形区（即最大张应变 次轧制，轧后先空冷大约20s,温度降至780℃后进 区，下同)的硬度虽然先有小幅度上升，但接着迅速 入水流冷却，冷速约20℃·s-1,冷至室温30℃，冷 下降，等温至10h,共下降了近70HV.从10h到 却时间约40s 20h,硬度值基本未发生改变，等温到20h后，硬度又
使用的材料显然应该避免其发生．这表明在新一 代钢铁材料的发展中除了“如何获得细化的非平衡 组织”这一问题外还存在一个同等重要的课题就 是“如何保持细化的非平衡组织”． 在热扰动导致组织失稳的各种情形中相对简 单同时又非常重要的是钢在 A1 温度以下受热时的 组织演化问题它不涉及结构相变但可能通过回复 和再 结 晶 导 致 钢 的 明 显 软 化．杨 善 武、武 会 宾 等［8—10］的工作表明变形奥氏体中的位错如果受到 纳米尺度的 Nb（CN）析出相钉扎则转变后形成的 贝氏体具有很高的热稳定性．他们据此推测在转 变前于变形奥氏体中形成的析出颗粒对位错的钉扎 关系能够保持到相变之后并对贝氏体在受热时的 回复、再结晶过程产生阻碍作用．但是他们的工作 未涉及材料受热前的预应变对非平衡组织热稳定性 的影响． 材料在成形、服役过程中往往会经历范性变形 和热扰动如制造管线时需要对钢板实行弯曲成形 和焊接建筑用钢也常常要经历预应变、焊接以及火 灾的考验等均涉及预应变对显微组织热稳定性的 影响问题． 预应变会改变材料内的位错密度、位错分布以 及位错与析出的相互作用状态其作用效果一般是 非常复杂的．为了便于澄清机制本文对比研究了 扭转变形与弯曲变形对贝氏体热稳定性的影响． 1 材料与实验方法 1∙1 实验钢的化学成分 实验钢的化学成分如表1所示．钢中加入硼与 锰主要是为了推迟低碳钢的γ→α转变加入硅是为 了抑制渗碳体析出以便在控扎控冷条件下得到以 贝氏体为主的显微组织．钢中只加入了一种强碳化 物形成元素铌以保证以后实验中所观测到的析出 颗粒均为铌的析出相． 表1 实验钢的化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of experimental steel ％ C Mn Si Nb B Fe 0∙069 1∙28 0∙31 0∙062 0∙0022 余量 实验钢由25kg 真空感应炉冶炼、热锻后进行 控制轧制．钢坯轧前厚度为60mm分两阶段八道 次轧制．轧后先空冷大约20s温度降至780℃后进 入水流冷却冷速约20℃·s —1冷至室温30℃冷 却时间约40s． 1∙2 预应变的施加方法 扭转变形样品的中轴线平行于钢板轧向．样品 的直径为5∙5mm标距内长度为55mm围绕样品 的中轴线在室温分别扭转720°与1500°则在样品 上产生纯切变．越靠近样品表面切变量越大．冷 弯样品实行对折式弯曲样品厚度约3mm平行于 钢板纵剖面切取弯曲半径为6mm． 1∙3 热处理制度 将经历预变形的样品密封在抽空的石英管内置 于箱式电炉内在550℃分别等温0∙5～48h然后 取出空冷以研究不同类型、不同应变量的预变形对 样品在受热过程中组织演化的影响． 1∙4 硬度测量与显微组织观察 （1） 维氏硬度的跟踪测量．对于在550℃分别 等温不同时间的各种样品先将两面用400＃砂纸磨 光然后顺次磨至1500＃砂纸置于 HD9—45型光学 表面洛氏／维氏硬度仪上进行维氏硬度（HV）测量 选用载荷为294N加载30s每一等温时间取两个 平行样品在等变形量位置取四个点取平均值． （2） 光学金相观察．样品磨平抛光后用3％硝 酸无水乙醇溶液侵蚀侵蚀时间约为2min．最后置 于 Olympus BX51M 金相显微镜下观察并摄照显微 组织． （3） 透射电子显微镜（TEM）观察．先将样品经 过线切割切成0∙4mm 的薄片用800＃到1500＃ 的砂纸双面研磨至30～60μm然后冲制成●3mm 的小圆片．对●3mm 的小圆片进行双喷减薄所用 的双喷液为5％的高氯酸酒精溶液电压控制在 50V 左 右电 流 在 15mA 左 右温 度 为 —20～ —30℃．然后利用日立公司 H—800透射电子显微镜 观察高倍下的组织与缺陷形态工作电压为175kV． 2 实验结果与讨论 2∙1 等温加热过程中样品硬度的变化 图1反映经历不同方式变形样品的硬度在随后 的550℃等温过程中的变化．由硬度曲线可以看 出样品的未变形区除了在等温开始阶段有一个硬 度下降再回升的阶段外在等温10h 后硬度基本保 持平稳．弯曲与扭转这两种方式的范性变形都可以 大幅度提高样品的硬度但在随后的等温受热过程 中两类变形区的表现呈现明显差别． 在等温开始阶段弯曲变形区（即最大张应变 区下同）的硬度虽然先有小幅度上升但接着迅速 下降等温至10h共下降了近70HV．从10h 到 20h硬度值基本未发生改变等温到20h后硬度又 第12期 吕海青等： 预变形方式对微合金钢中贝氏体热稳定性的影响 ·1543·
,1544 北京科技大学学报 第31卷 350 降幅度不大，并始终高于未变形区的硬度，扭转 +粗转1500°。无应变区 一扭转720°◆弯曲变形区 720样品的硬度在等温刚开始时下降得比较快，等 310 温至2h为硬度最低点，等温至4h硬度值有所回 270 升，此后直到等温30h,硬度变化不大仅有小幅度波 动，等温30h后，硬度缓慢下降.扭转1500°的样品 190 硬度随等温时间的延长，在4h和20h处分别出现 了一个小的峰值，等温20h后硬度开始缓慢下降.扭 150 18 283848 回火时间h 转1500°样品的硬度与扭转720°的样品硬度随等温 时间的变化都不大，但扭转1500°样品的硬度始终 图1经历不同方式预变形的样品在550℃等温过程中的硬度变 高于扭转720°的样品. 化 2.2等温受热过程中显微组织的演化 Fig.1 Hardness changes of samples with different pre-deformation modes during isothermal holding at 550C 硬度的变化来源于样品内部组织结构的变化， 图2为样品中未变形区在550℃等温不同时间后的 开始快速下降，从20h到30h共下降了近50HV,已 显微组织，由图2(a)可见，样品在受热前基本由板 明显低于未变形区的硬度，30h以后硬度降低速率 条状的贝氏体铁素体、针状铁素体和边界呈锯齿状 趋缓、 的准多边形铁素体组成，以贝氏体铁素体为主，在 由扭转区域（最大切应变区，下同）硬度曲线可 550℃等温受热至48h,显微组织没有发生实质性的 以看出，硬度随保温时间的延长虽然有所下降，但下 变化， (a) b) 10 um (d 10m I0μ山m 图2样品无应变区原始组织及在550℃等温不同时间后的组织形态.(a)原始组织；(b)1h:(c)7h:(d)48h Fig.2 Original microstructure in undeformed zones of a sample and its variation with holding time at 550C:(a)original microstructure:(b)1h: (c)7h:(d)48h 图3为样品弯曲变形区等温不同时间的金相组 图4为扭转720的样品在550℃等温不同时间 织，可以看出，弯曲变形并未导致组织被明显拉长， 后扭转区域的金相照片，可以看出，扭转以后贝氏 但却造成贝氏体板条倾向于平行排列，随着等温时 体板条呈现平行排列的趋势，同时组织有所碎化 间的延长，平行排列的贝氏体板条间的边界逐渐模 随着等温时间延长，显微组织中边界呈锯齿状的准 糊.等温至10h后，开始有少量的多边形铁素体出 多边形铁素体的含量有所增加，但始终未出现多边 现.继续延长等温时间，多边形铁素体的含量逐渐 形铁素体，并且在等温至48h的样品内，显微组织 增多，至30h后显微组织完全转变成多边形铁素 仍以板条状的贝氏体铁素体为主，这表明，扭转变 体.，由此看来，弯曲变形加速了钢中非平衡组织向 形对显微组织的演变并没有明显加速作用，据此分 平衡组织的演变，与图1的硬度曲线相对应， 析，预变形方式不同，对钢中非平衡组织热稳定性的
图1 经历不同方式预变形的样品在550℃等温过程中的硬度变 化 Fig．1 Hardness changes of samples with different pre-deformation modes during isothermal holding at 550℃ 开始快速下降从20h 到30h 共下降了近50HV已 明显低于未变形区的硬度30h 以后硬度降低速率 趋缓． 由扭转区域（最大切应变区下同）硬度曲线可 以看出硬度随保温时间的延长虽然有所下降但下 降幅度不大并始终高于未变形区的硬度．扭转 720°样品的硬度在等温刚开始时下降得比较快等 温至2h 为硬度最低点等温至4h 硬度值有所回 升此后直到等温30h硬度变化不大仅有小幅度波 动等温30h 后硬度缓慢下降．扭转1500°的样品 硬度随等温时间的延长在4h 和20h 处分别出现 了一个小的峰值等温20h后硬度开始缓慢下降．扭 转1500°样品的硬度与扭转720°的样品硬度随等温 时间的变化都不大但扭转1500°样品的硬度始终 高于扭转720°的样品． 2∙2 等温受热过程中显微组织的演化 硬度的变化来源于样品内部组织结构的变化． 图2为样品中未变形区在550℃等温不同时间后的 显微组织．由图2（a）可见样品在受热前基本由板 条状的贝氏体铁素体、针状铁素体和边界呈锯齿状 的准多边形铁素体组成以贝氏体铁素体为主．在 550℃等温受热至48h显微组织没有发生实质性的 变化． 图2 样品无应变区原始组织及在550℃等温不同时间后的组织形态．（a） 原始组织；（b）1h；（c）7h；（d）48h Fig．2 Original microstructure in undeformed zones of a sample and its variation with holding time at550℃：（a） original microstructure；（b）1h； （c）7h；（d）48h 图3为样品弯曲变形区等温不同时间的金相组 织．可以看出弯曲变形并未导致组织被明显拉长 但却造成贝氏体板条倾向于平行排列．随着等温时 间的延长平行排列的贝氏体板条间的边界逐渐模 糊．等温至10h 后开始有少量的多边形铁素体出 现．继续延长等温时间多边形铁素体的含量逐渐 增多至30h 后显微组织完全转变成多边形铁素 体．由此看来弯曲变形加速了钢中非平衡组织向 平衡组织的演变与图1的硬度曲线相对应． 图4为扭转720°的样品在550℃等温不同时间 后扭转区域的金相照片．可以看出扭转以后贝氏 体板条呈现平行排列的趋势同时组织有所碎化． 随着等温时间延长显微组织中边界呈锯齿状的准 多边形铁素体的含量有所增加但始终未出现多边 形铁素体并且在等温至48h 的样品内显微组织 仍以板条状的贝氏体铁素体为主．这表明扭转变 形对显微组织的演变并没有明显加速作用．据此分 析预变形方式不同对钢中非平衡组织热稳定性的 ·1544· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第12期 吕海青等：预变形方式对微合金钢中贝氏体热稳定性的影响 .1545. b 10 um 10 um (c) d 10m 10m 图3样品弯曲变形区原始组织及其在550℃等温不同时间后的组织形态.(a)原始组织：(b)4h:(c)7h:(d)48h Fig.3 Original microstructure in curved zones of a sample and its variation with holding time at 550C:(a)original microstructure:(b)4h (c)7h;(d)48h (a) (b) 104m 10 um (d) 10 um 10um 图4扭转720°后样品原始组织及其在550℃等温不同时间后的组织形态，(a)原始组织；(b)4h:(c)7h;(d)48h Fig-4 Original microstructure of a sample twisted for 720and its variation with holding time at 550C:(a)original microstructure:(b)4h: (c)7h;(d)48h 影响也不同 (图5(b)),已可观察到多边形铁素体形核于低位错 2.3等温过程中内部位错组态的演化 密度区，并呈现吞噬高密度位错区而长大的迹象， 透射电镜观察表明，弯曲变形导致贝氏体内位 透射电镜观察中发现，虽然扭转变形也导致位 错密度显著增加，并加剧了位错空间分布的不均匀 错密度显著上升，但位错的分布大致均匀，这种位错 性.在随后的等温受热过程中，不同区域位错密度 分布的均匀性甚至能维持到在550℃等温受热48h 的差别进一步扩大，由图5(a)可见，在等温受热1h 时，如图6(a)所示.在局部范围（图6(b)),虽然出 的弯曲变形区内，己出现了高、低位错密度区相邻分 现了位错的重分布现象，但位错密度较高区域内的 布的现象，在等温受热20h的弯曲变形区内 位错排列成网状，这是高度稳定的位错构型
图3 样品弯曲变形区原始组织及其在550℃等温不同时间后的组织形态．（a） 原始组织；（b）4h；（c）7h；（d）48h Fig．3 Original microstructure in curved zones of a sample and its variation with holding time at 550℃：（a） original microstructure；（b） 4h； （c）7h；（d）48h 图4 扭转720°后样品原始组织及其在550℃等温不同时间后的组织形态．（a） 原始组织；（b）4h；（c）7h；（d）48h Fig．4 Original microstructure of a sample twisted for 720°and its variation with holding time at 550℃：（a） original microstructure；（b） 4h； （c）7h；（d）48h 影响也不同． 2∙3 等温过程中内部位错组态的演化 透射电镜观察表明弯曲变形导致贝氏体内位 错密度显著增加并加剧了位错空间分布的不均匀 性．在随后的等温受热过程中不同区域位错密度 的差别进一步扩大．由图5（a）可见在等温受热1h 的弯曲变形区内已出现了高、低位错密度区相邻分 布的 现 象．在 等 温 受 热 20h 的 弯 曲 变 形 区 内 （图5（b））已可观察到多边形铁素体形核于低位错 密度区并呈现吞噬高密度位错区而长大的迹象． 透射电镜观察中发现虽然扭转变形也导致位 错密度显著上升但位错的分布大致均匀这种位错 分布的均匀性甚至能维持到在550℃等温受热48h 时如图6（a）所示．在局部范围（图6（b））虽然出 现了位错的重分布现象但位错密度较高区域内的 位错排列成网状这是高度稳定的位错构型． 第12期 吕海青等： 预变形方式对微合金钢中贝氏体热稳定性的影响 ·1545·
,1546, 北京科技大学学报 第31卷 200nm 500nm 图5弯曲变形区等温受热不同时间的TEM像.(a)1h:(b)20h Fig.5 TEM images in the curved zone of a sample held at 550 C for different time periods:(a)Ih:(b)20h (b) 500nm 125nm 图6扭转1500样品550℃等温受热48h的TEM像.(a)位错分布的概貌；(b)局部的位错网 Fig.6 TEM images of a sample held at 550C for 48h after being twisted for 1500:(a)general picture of dislocation distribution:(b)local dislo- cation net 2.4讨论 组螺型位错所组成的· 本工作中最值得注意的现象是，虽然弯曲与扭 变形量较大的范性变形一般会导致多个滑移系 转变形可以产生同样的硬化效果，但对样品热稳定 的开动，这样就会产生位错相互交割的问题，而不同 性的影响全然不同， 滑移面上的螺型位错交割后一般对其继续运动会产 一般来说，金属的范性变形在微观上对应位错 生很强的阻碍作用，因为螺型位错相交割时会导致 运动，位错运动的结果会导致位错增殖，由于运动 小段刃型位错，即割阶（图7中0'与Pp')的产生， 位错会受到晶界等障碍物的阻挡，形成位错塞积，使 带割阶的位错继续运动时，割阶将发生攀移，割阶 得晶界附近位错密度增高，而晶内则位错密度相对 的攀移需要晶体提供空位或自间隙原子，这在常温 较低，一旦受到热扰动，则可能出现低密度位错区 或较低的加热温度显然是难以实现的，因此，螺形 吞噬高密度位错区而长大的现象，促进再结晶的发 位错之间的交割常导致位错运动的停顿，为了扭转 生，因此，预变形导致非平衡组织热稳定性降低这 变形能够持续进行，在晶体内部就会激活较多的位 一结果易于理解，这也正是本实验中在经历弯曲变 错源，因而，扭转变形会导致样品内位错分布比较 形的样品上所看到的，由于析出过程的介入，样品 均匀，并且这种均匀的位错分布抗热扰动的能力很 的硬度变化不是单一的软化过程，而是伴随硬度的 强.经历扭转变形的样品在受热时，首先会发生回 起伏 复过程，而回复过程的主要机制是位错的移动和重 相比之下，扭转变形不造成贝氏体热稳定性的 新排列，由于割阶的钉扎作用，位错移动困难，使得 下降这一现象就比较费解.在此，本文尝试根据扭 转变形的特殊性予以分析，扭转变形是一种纯切 变，没有改变体积的效应，从这个意义上来看，扭转 作为一种范性变形所产生的位错应该以只有切应力 分量的螺型位错为主，或者至少是位错的螺型分量 图7不同滑移面上的螺型位错相互交割时产生制阶的示意图 Fig.7 Schematic diagram of jogs produced in crossing of serew dis- 所占权重较高·比如，扭转型小角度晶界就是由两 locations on different slip planes
图5 弯曲变形区等温受热不同时间的 TEM 像．（a）1h；（b）20h Fig．5 TEM images in the curved zone of a sample held at 550℃ for different time periods：（a）1h；（b）20h 图6 扭转1500°样品550℃等温受热48h 的 TEM 像．（a） 位错分布的概貌；（b） 局部的位错网 Fig．6 TEM images of a sample held at550℃ for48h after being twisted for1500°：（a） general picture of dislocation distribution；（b） local dislocation net 2∙4 讨论 本工作中最值得注意的现象是虽然弯曲与扭 转变形可以产生同样的硬化效果但对样品热稳定 性的影响全然不同． 一般来说金属的范性变形在微观上对应位错 运动位错运动的结果会导致位错增殖．由于运动 位错会受到晶界等障碍物的阻挡形成位错塞积使 得晶界附近位错密度增高而晶内则位错密度相对 较低．一旦受到热扰动则可能出现低密度位错区 吞噬高密度位错区而长大的现象促进再结晶的发 生．因此预变形导致非平衡组织热稳定性降低这 一结果易于理解这也正是本实验中在经历弯曲变 形的样品上所看到的．由于析出过程的介入样品 的硬度变化不是单一的软化过程而是伴随硬度的 起伏． 相比之下扭转变形不造成贝氏体热稳定性的 下降这一现象就比较费解．在此本文尝试根据扭 转变形的特殊性予以分析．扭转变形是一种纯切 变没有改变体积的效应．从这个意义上来看扭转 作为一种范性变形所产生的位错应该以只有切应力 分量的螺型位错为主或者至少是位错的螺型分量 所占权重较高．比如扭转型小角度晶界就是由两 组螺型位错所组成的． 变形量较大的范性变形一般会导致多个滑移系 的开动这样就会产生位错相互交割的问题而不同 滑移面上的螺型位错交割后一般对其继续运动会产 生很强的阻碍作用．因为螺型位错相交割时会导致 小段刃型位错即割阶（图7中 oo′与 pp′）的产生 图7 不同滑移面上的螺型位错相互交割时产生割阶的示意图 Fig．7 Schematic diagram of jogs produced in crossing of screw dislocations on different slip planes 带割阶的位错继续运动时割阶将发生攀移．割阶 的攀移需要晶体提供空位或自间隙原子这在常温 或较低的加热温度显然是难以实现的．因此螺形 位错之间的交割常导致位错运动的停顿．为了扭转 变形能够持续进行在晶体内部就会激活较多的位 错源．因而扭转变形会导致样品内位错分布比较 均匀并且这种均匀的位错分布抗热扰动的能力很 强．经历扭转变形的样品在受热时首先会发生回 复过程而回复过程的主要机制是位错的移动和重 新排列．由于割阶的钉扎作用位错移动困难使得 ·1546· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第12期 吕海青等：预变形方式对微合金钢中贝氏体热稳定性的影响 .1547. 回复过程受到阻碍，进而导致组织演化过程趋缓， jing,2001,8(3):224 [3]Shang C J.Wang X M.Yang S W.et al.Microstructure refine- 3结论 ment of high strength low carbon bainitic steel.Acta Metall Sin, 2003,39(10):1019 (1)弯曲与扭转变形都可以大幅度提高微合金 (尚成嘉，王学敏，杨善武，等，高强度低碳贝氏体钢的工艺与 钢的硬度.在随后的550℃等温受热过程中，弯曲 组织细化.金属学报，2003,39(10)：1019) 变形区的硬度迅速下降，同时伴随贝氏体向平衡组 [4]Wang X M.He X L.Yang S W,et al.Refining of intermediate 织的演变；而扭转区在等温过程中的硬度始终高于 transformation microstructure by relaxation Processing.ISIInt, 2002.42(12):1553 未变形区，同时钢中的贝氏体组织基本得以保持. [5]Park K T,Kim Y S,Lee J G,et al.Thermal stability and me 扭转应变量越大，硬化效果越强，并且在随后的等温 chanical properties of ultrafine grained low carbon steel.Mater 受热过程中能保持这种硬度上的优势 Sei Eng A.2000,293(1):165 (2)弯曲与扭转变形均导致贝氏体板条内位错 [6]Shin D H.Kim BC.Park K T,et al.Microstructural changes in 密度显著增加，弯曲变形区的位错分布不均匀，在 equal channel angular pressed low carbon steel by static annealing. 随后的等温受热过程中平衡组织多边形铁素体易形 Acta Mater,2000,48(12):3245 [7]Sakasegawa H.Hirose T.Kohyama A.et al.Microstructural 核于其中的低位错密度区；而扭转变形区内位错分 stability of reduced activation ferritic/martensitic steels under high 布均匀，并且在随后的等温受热过程中位错分布不 temperature and stress cycling Fusion Eng Des,2002.61:671 发生显著改变 [8]Yang S W,Shang C J.He X L.et al.Stability of ultra fine mi- crostructures during tempering.Univ Sci Technol Beijing. 参考文献 2001,8(2):119 [9]Yang S W,Wu H B.Yuan S Q.et al.Dislocation precipitate in [1]Hurley PJ.Kelly G L.Hodgson P D.Ultrafine ferrite formation teraction and its effect on thermostability of bainite in a Nb-bear during hot strip rolling.Mater Sci Technol,2000.16(11): ing steel.Mater Sci Forum.2005.475:125 1273 [10]Wu H B.Yang S W,Yuan Q.et al.Evolution of microstrue- [2]Shang C J.Wang X M.He X L.et al.A special TMCP used to tures in a low carbon bainitic steel during reheating.Mater Sci develop a 800 MPa grade HSLA steel.J Unio Sci Technol Bei- Forum,2005,475:121
回复过程受到阻碍进而导致组织演化过程趋缓． 3 结论 （1） 弯曲与扭转变形都可以大幅度提高微合金 钢的硬度．在随后的550℃等温受热过程中弯曲 变形区的硬度迅速下降同时伴随贝氏体向平衡组 织的演变；而扭转区在等温过程中的硬度始终高于 未变形区同时钢中的贝氏体组织基本得以保持． 扭转应变量越大硬化效果越强并且在随后的等温 受热过程中能保持这种硬度上的优势． （2） 弯曲与扭转变形均导致贝氏体板条内位错 密度显著增加．弯曲变形区的位错分布不均匀在 随后的等温受热过程中平衡组织多边形铁素体易形 核于其中的低位错密度区；而扭转变形区内位错分 布均匀并且在随后的等温受热过程中位错分布不 发生显著改变． 参 考 文 献 ［1］ Hurley P JKelly G LHodgson P D．Ultrafine ferrite formation during hot strip rolling． Mater Sci Technol200016（11）： 1273 ［2］ Shang C JWang X MHe X Let al．A special T MCP used to develop a800MPa grade HSLA steel．J Univ Sci Technol Beijing20018（3）：224 ［3］ Shang C JWang X MYang S Wet al．Microstructure refinement of high strength low carbon bainitic steel．Acta Metall Sin 200339（10）：1019 （尚成嘉王学敏杨善武等．高强度低碳贝氏体钢的工艺与 组织细化．金属学报200339（10）：1019） ［4］ Wang X MHe X LYang S Wet al．Refining of intermediate transformation microstructure by relaxation Processing．ISIJ Int 200242（12）：1553 ［5］ Park K TKim Y SLee J Get al．Thermal stability and mechanical properties of ultrafine grained low carbon steel． Mater Sci Eng A2000293（1）：165 ［6］ Shin D HKim B CPark K Tet al．Microstructural changes in equal channel angular pressed low carbon steel by static annealing． Acta Mater200048（12）：3245 ［7］ Sakasegawa HHirose TKohyama Aet al．Microstructural stability of reduced activation ferritic／martensitic steels under high temperature and stress cycling．Fusion Eng Des200261：671 ［8］ Yang S WShang C JHe X Let al．Stability of ultra-fine microstructures during tempering． J Univ Sci Technol Beijing 20018（2）：119 ［9］ Yang S WWu H BYuan S Qet al．Dislocation-precipitate interaction and its effect on thermostability of bainite in a Nb-bearing steel．Mater Sci Forum2005475：125 ［10］ Wu H BYang S WYuan S Qet al．Evolution of microstructures in a low carbon bainitic steel during reheating． Mater Sci Forum2005475：121 第12期 吕海青等： 预变形方式对微合金钢中贝氏体热稳定性的影响 ·1547·