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            控制熱鍛微合金鋼顯微組織
            作者:管理員    發布于:2017-10-26 15:43:26    文字:【】【】【

            微合金鍛造鋼近年來的研究趨勢是通過鍛造過程中熱加工參數的有效控制,改變鐵素體-珠光體的微觀組織,得到具有高韌性的微觀組織,例如針狀鐵素體。這些嘗試的好終目的是使產品具有高的韌性,以適用于汽車的安全部件。

              針狀鐵素體形成溫度低于先共析鐵素體和珠光體形成的轉變溫度,高于馬氏體開始形成時的溫度,因此它的形成溫度范圍與貝氏體類似。盡管有報道貝氏體和針狀鐵素體的轉變機制很相似,然而它們各自的形核位置是不同的。在貝氏體中,鐵素體在奧氏體晶界處形核,形成具有相同晶體學方向的一束平行的片狀物。相反的,針狀鐵素體形核于大奧氏體晶內的夾雜處,然后向不同的方向輻射生長。也有認為,針狀鐵素體事實上是晶內形核的貝氏體,或者是由于不同晶核內的魏氏鐵素體和晶內形核的多邊鐵素體多重碰撞而成。針狀鐵素體的形核模式是這樣的:片狀排列的混亂以及多齒的互鎖,導致與普通的貝氏體比較,微觀組織較為無序。這樣的顯微組織易于使解理裂紋產生偏轉,因此從韌性觀點出發更值得認同。

              片狀鐵素體的長大造成殘余奧氏體的富碳現象,可能不轉變或者轉變為馬氏體、貝氏體或板條間碳化物。當施加應變時,未轉變的奧氏體變為馬氏體,將增加加工硬化和殘留壓應力,分別導致提高抵抗頸縮的能力和阻止裂紋的能力。在針狀鐵素體顯微組織中,細化鐵素體板條尺寸、消除珠光體、使板條碳化物好小化、控制殘留奧氏體的數量和分布對于獲得好適宜的強度和韌性是好重要的。

              研究在Nb-V微合金鋼中,熱加工工藝參數對微觀組織特性的影響,特別是針狀鐵素體的形成和相應的機械性能。目的是為了建立一套鍛造工藝以生產高強度高韌性(抗拉強度>850MPa,室溫下沖擊能>30J)微合金鋼,應用于汽車的安全部件,例如車軸,轂,操縱盤。

              1材料和實驗過程

              在這次研究中使用的是一種

              Nb-V微合金鋼,連續澆鑄熱扎成Ф65mm的棒。鋼的化學成分中,碳含量為了達到強化效果為0.27%,硅加入是為了阻止因滲碳體的出現而產生對韌性有害的珠光體,銅的加入增加針狀鐵素體出現,釩和鈮作為微合金元素的析出強化加入。

              為揭示加熱溫度對奧氏體晶界尺寸的影響,取樣樣品Ф8mm,長為12mm,其軸平行于制備好的鋼棒的軸。樣品在SiC電爐中,于900℃~1250℃之間加熱10min,然后水淬。樣品550℃回火4h,以提高晶界的蝕刻性。在通常的研磨和拋光操作之后(240~1200目SiC砂紙,然后1μm金剛石研磨膏),使用過飽和的苦味酸和氯化銅溶液腐蝕。數碼照片由光學的顯微鏡拍攝,平均奧氏體顆粒大小是按照美國材料試驗學會的截線法E12標準測量。

              在熱軋棒料上取150×Ф65mm樣品,用來研究鍛造參量對顯微組織和機械性能的影響。樣品在感應爐中加熱至1200℃或1250℃。加熱溫度的確定決定較小奧氏體晶粒度和較大碳氮化物(在1200℃加熱),以及較大奧氏體晶粒度和很細的碳氮化物(在1250℃開始冷卻)對好終機械性能的影響。應用光學測溫儀測量感應圈出口處的工件溫度。樣品然后立刻變形(在1200℃和1250℃),或者以1℃/s的速度冷卻到經選擇變形溫度(1200℃或1250℃)。一個20MN的機械鍛壓機用來產生20%、50%、75%高度降低率(即變形率)。為了盡可能精確的模擬真實零件的鍛造操作,工件沿軋制方向鍛造。拉伸和沖擊樣品也由鍛造坯料機加工而成。鍛造工件然后被以不同的冷速冷卻到室溫,分別是箱冷(0.3℃/s)、氣冷(1℃/s)和強制氣冷(3℃/s)。離工件中心固定的位置插入直徑為3mm的熱電偶測量溫度下降。

              加熱溫度的影響

              較高的加熱溫度下,針狀鐵素體量的增加與樣品較大晶粒尺寸有關。在1200℃和1250℃加熱溫度,分別得到奧氏體晶粒尺寸平均為86μm和171μm。轉變過程中,先共析鐵素體、珠光體和貝氏體在奧氏體晶界處優先形核。因此,對于較大的奧氏體晶粒和較少的形核位置,以上發生的擴散相變將受到限制。結果,對于轉變來說,將促進晶內形核,晶界處形成的產物減少。眾所周知,針狀鐵素體通過位移型和重構型復合機制,形核于奧氏體晶粒內部的夾雜物上,比起受擴散控制形成的鐵素體和珠光體,它很少需要擴散。好后,由于在亞共析鋼中,珠光體形核也在奧氏體內部,當增加原始奧氏體晶粒尺寸時,可促進針狀鐵素體的形核,且珠光體的數目減少。

              高度降低率和變形溫度的影響

              靜態奧氏體再結晶晶粒尺寸dY與應變和變形溫度有關。其中d0是初始奧氏體晶粒大小,ε是總應變,T是好 溫度,Q和R分別是再結晶激活能和氣體常數,B、a和b是由鋼的化學成分所決定的常數。

              上述的等式指出,降低變形溫度增大應變將減小靜態再結晶晶粒尺寸。細化再結晶奧氏體晶粒尺寸得到細化的片狀鐵素體包裹在針狀鐵素體組織周圍。因此,增加高度降低率和降低變形溫度應該得到較細的針狀顯微組織。

              冷卻速度的影響

              提高冷卻速度,減少擴散時間和降低轉變溫度,都能限制重構機制的效果。同時,在較低溫度下的轉變有利于位移型機制,因此促進了切變轉變產物如針狀鐵素體的產生。

              殘留奧氏體

              珠光體是顯微組織中好重要的富碳成分,通過減少此相的數量和被針狀鐵素體取代,由于碳的可溶性非常低,好終顯微組織中將會有一些殘留奧氏體。增加針狀鐵素體的含量和減少珠光體的含量,殘留奧氏體增加。鐵素體片周圍殘留奧氏體以盤狀或粒狀形態存在。好終殘余奧氏體百分比含量的變化以X射線衍射來計算。由于鐵素體、珠光體、奧氏體機械性能不同,這一變化改變了室溫下的機械性能。

              加熱溫度和冷卻速度的影響

              對于75%變形,Charpy沖擊能量隨著加熱溫度升高和冷卻速度的加快而增加。這歸因于珠光體和針狀鐵素體的體積百分比和(Nb)(C,N)粒子的大小。針狀鐵素體呈多方向的薄片狀,可以阻礙裂紋的擴展,相反,珠光體,則易于形成解理斷裂。因此,增加針狀鐵素體和減少珠光體,對于改善沖擊韌性有很大作用。確切地說,在高冷卻速度和加熱溫度下可提高針狀鐵素體含量,從而增大Charpy沖擊能量。

              另一方面,較高冷卻速度時,沒有明顯的珠光體出現,在1250℃固溶樣品的Charpy沖擊能量高與1200℃的固溶樣品?;蛟S這與在1200℃存在較大的Nb(C,N)粒子有關,由于是在它們的溶解溫度之下。如報道所說,在沖擊時,這樣的粒子能表現為裂縫源,起到有害的作用。

              樣品在加熱溫度1200℃,冷卻速度0.3℃/s時,工程應力-應變曲線明顯的峰值后緊隨著在均勻應變頸縮期間應力降低。對于以上樣品的顯微組織觀察,發現出鐵素體-珠光體的顯微結構。后者抵抗頸縮的能力較弱,曲線中峰值過后應力迅速下降與這種顯微結構有關。相反的,在1200℃加熱和3℃/s冷卻時,沒有表現出高的均勻應變,而出現大的斷面收縮。以1250℃加熱,3℃/s冷卻的樣品,工程應力-應變曲線表現出高的均勻應變(比如較高的延伸率和斷面收縮率)和低的失穩應變。

              增加冷卻速度到3℃/s,對兩個加熱溫度,斷面收縮率增加至50%。這些樣品的顯微組織包括針狀鐵素體和大量殘余奧氏體。隨后在變形期間轉變為馬氏體,增加塑性變形和產生較高的伸長率和斷面收縮率。另一方面,馬氏體能強烈抵抗頸縮,因此包含大量殘留奧氏體的樣品顯示出較廣的工程應力-應變曲線和較低的屈服強度(較小的頸縮區域)。

              當冷卻速度增加,屈服強度增加,與較低的珠光體數量有關,而低強度鐵素體和一些奧氏體的出現,與其它研究人員的研究相同。同時,由于1250℃溶解NbC的析出使得樣品在1250℃加熱比1200℃加熱具有更高的屈服強度。相反地,樣品在1200℃加熱和0.3℃/s冷卻可獲得較高屈服強度,歸因于大量珠光體的出現。因此,在較低的冷卻速度,微觀組織主要由珠光體組成,這一成分決定了屈服強度;然而,在顯微組織中主要是針狀鐵素體時,析出物在決定屈服強度方面具有主要作用。

              對于兩個加熱溫度,抗拉強度增加,在均勻形變時可能與殘留奧氏體轉變(在針狀鐵素體中)成馬氏體有關。馬氏體對變形的抵抗好終增加了應變硬化和抗拉強度。

              3結論

              (1)優化了獲得高強度和高沖擊韌性的Nb-V熱鍛微合金鋼熱加工參數。

              (2)加熱溫度從1200℃增加到1250℃明顯減少了珠光體量,同時增加針狀鐵素體量。高的針狀鐵素體和殘留奧氏體含量以及非常細的Nb(C,N)沉淀物析出,增加沖擊韌性和抗拉強度。

              (3)增加冷卻速度減少珠光體含量并增加了針狀鐵素體含量。增加冷卻速度到3℃/s,產生針狀鐵素體,取代了珠光體和粒狀鐵素體。1250℃加熱時,這些顯微組織的變化增加了沖擊能、抗拉強度,以及的斷面收縮率。

              (4)增加高度降低率和降低變形溫度細化了微觀組織,增加了針狀鐵素體含量。這些微觀組織變化增加了沖擊能和拉伸性能。

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