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關(guān)鍵字： 冷卻速度；粒狀貝氏體；力學(xué)性能 摘　要： 通過對合金元素與鋼的組織轉(zhuǎn)變動力學(xué)關(guān)系的分析和計算，設(shè)計了空冷貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼22Mn2SiVBS。熱穿制成管坯后觀察其顯微組織，發(fā)現(xiàn)在原奧氏體晶界處有一定量斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體析出，由于受到冷卻速度的影響和鋼中微量合金元素的分布不均勻，影響了其組織轉(zhuǎn)變的動力學(xué)條件，導(dǎo)致過冷奧氏體穩(wěn)定性下降，過量鐵素體的析出，降低了鋼的力學(xué)性能。通過對樣品的重新加熱控制冷卻試驗分析表明，緩慢冷卻得到貝氏體、珠光體和鐵素體組織，力學(xué)性能較差，不能滿足使用要求；空冷得到均勻的粒狀貝氏體，抗拉強度900MPa，硬度301HB，滿足使用要求。

貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼具有良好的強度和韌性，與調(diào)質(zhì)鋼相比，能夠簡化生產(chǎn)工藝、節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。貝氏體鋼可以用作汽車零件、高硬度耐磨用鋼、塑料等行業(yè)用的模具和模塊等，近年來貝氏體鋼的應(yīng)用及相變機制受到人們的關(guān)注[1-5]。M n、B 系貝氏體鋼作為模具用鋼有明顯的優(yōu)勢，廉價元素M n 和微量B, 并輔以少量其它元素合金化, 可以空冷自硬, 其主要性能(光潔度、硬度、切削加工性)等方面完全能與國外同類合金相比, 而價格卻大大低于國外同類合金,即性能與價格比有顯著優(yōu)勢, 可為生產(chǎn)帶來巨額經(jīng)濟效益。本文所研究的鋼牌號為自行設(shè)計的22Mn2SiVBS，是一種M n、B 系貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼，其組織特點為鍛后空冷即可得到以貝氏體為主，配以少量殘余奧氏體和鐵素體；鋼中貝氏體碳化物含量少，或稱無碳化物貝氏體，使鋼具有良好的強度和韌性。通過試驗了解該鋼加熱到奧氏體化后冷卻速度的變化，對鋼的組織轉(zhuǎn)變和力學(xué)性能的影響，為材質(zhì)的有效利用提供依據(jù)。

1   合金元素組合

考慮調(diào)質(zhì)件多數(shù)是鍛件，以Vc-max和Vc-min分別為制件鍛后空冷時最大和最小冷卻速度；VF、VP和VB分別為抑制先共析鐵素體轉(zhuǎn)變、抑制珠光體轉(zhuǎn)變和抑制貝氏體形成的最小冷卻速度，B、M和AR分別為貝氏體、

馬氏體和殘留奧氏體。設(shè)計鋼種的合金元素應(yīng)使Vc-min≥VF > VP, Vc-max < VB，并使力學(xué)性能和工藝性能符合技術(shù)要求�？紤]到合金元素的價格與有效價格比[6]，可知B、Mo、Mn是首選元素，Cr也是比較合適的元素，

考慮到資源儲量，其先后排序為B、Mn、Cr、Mo。為了使制件（1250℃熱穿管）成形后，保持較小的奧氏體晶粒，需要添加微量抑制晶粒粗化的元素V、Nb或Ti。同時保證制件在高強度下具有良好的切削加工性，鋼中需要一定的S含量，最終確定鋼的成份為22Mn2SiVBS。

2  鋼的臨界冷卻速度

在鋼的成分設(shè)計中，為得到滿足性能要求的貝氏體組織，要求有Vc-min≥VF > VP, Vc-max

（1）低碳低合金鋼抑制先共析鐵素體析出的臨界冷卻速度（VF）用（1）式計算：

logVF(℃/h)=10.17-[3.8(C)+1.05(Mn)+0.2(Si)+0.57(Cr)+0.70(Ni)+1.58(Mo)+0.7(B*)+0.0023Pa]（1）

（2）低碳低合金鋼的抑制貝氏體析出的臨界冷卻速度（VB）用（2）式計算：

logVB(℃/h)=10.55-[3.8 (C)+0.85(Mn)+0.2 (Si)+0.65(Cr)+0.65(Ni)+1.02(Mo)+0.20(B*)+0.0023Pa]（2）

在（1）式和（2）式中，Pa為奧氏體狀態(tài)系數(shù)，Pa=〔1/T-（nR/ΔH）×log（t/t0）〕-1，T為奧氏體化溫度（K），t為保溫時間（h），t0為時間單位（h），n為loge10，ΔH為晶體長大激活能，在低碳合金鋼中ΔH=460.55KJ/mol，R是氣體常數(shù)R=8.31441J/K·mol。將實際檢測數(shù)據(jù)代入上式有：logVF(℃/h)=3.39，VF=0.68℃/s；LogVB(℃/h)=4.66，VB=12.77℃/s。試驗過程中樣品軋制后的實際冷卻速度V實際滿足：VF＜V實際＜VB，而且金相組織照片也證明了采用的計算方法是正確的。

3  試驗材料、方法及儀器

根據(jù)鋼的化學(xué)成分與其過冷奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)特點和力學(xué)性能的關(guān)系[7]，設(shè)計試驗用鋼的成分為22Mn2SiVBS，經(jīng)電爐冶煉、精煉、連鑄連軋后制成φ200mm圓坯，利用日本島津直讀光譜儀（PDA-7000）

檢測其化學(xué)成分如表1。將鋼坯加熱至1270℃保溫，待充分奧氏體化后，穿制無縫管坯（管徑φ90mm、壁厚14mm、管長6000mm）。在管坯上截取長160mm一段，沿長度方向切為兩半，其中一半裝入耐高溫容器中

（容器內(nèi)用三氧化二鋁粉末和適量的碳充滿，試樣埋入其內(nèi)防止脫碳），容器置于高溫箱式電爐中加熱至1280℃，保溫2小時，從電爐中取出容器，冷卻至室溫后取出試樣，此樣品稱為緩冷。將另一半切割樣品做同樣熱處理，但容器從電爐中取出后，立即將試樣從容器中取出，直接暴露在空氣中冷至室溫，此樣品稱之為空冷。在尼康光學(xué)顯微鏡（Nikon EPIPHOT 300）下，觀察管坯、重新加熱后緩冷和空冷試樣的顯微組織；將管坯和空冷試樣分別加工成板狀拉伸試樣各三件（標(biāo)距沿管長度方向），試樣尺寸規(guī)格為標(biāo)距60mm，寬度19mm，厚度7.5mm，采用電子萬能拉力實驗機（新三思CMT5205）測試樣力學(xué)性能。

4  試驗結(jié)果與分析

對穿制的無縫管坯做力學(xué)性能檢測，結(jié)果如表2所示，布氏硬度值平均為243HB。材質(zhì)主要力學(xué)性能指標(biāo)（強度和硬度）略低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（σb≥900Mpa，HB≥255）。觀察管坯的顯微組織如圖1，從中看到鋼的組織主要以貝氏體為主，有一定量鐵素體析出，而且在原奧氏體晶界處呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布。從而可以判定：組織不均勻，特別是晶界處網(wǎng)狀鐵素體組織的析出，降低了晶間強度，導(dǎo)致材質(zhì)的力學(xué)性能下降。分析原因：（1）盡管在鋼的成分設(shè)計過程中，為保證其具有足夠的淬透性，加入了足量的合金元素，但由于煉鋼工藝或經(jīng)驗等方面的原因，某些合金元素（特別是作用大的微量元素如B）在鋼液中或凝固時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變和偏析，也會對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的動力學(xué)特點產(chǎn)生影響；（2）管坯熱穿制后的冷卻過程中，由于過度的集中堆放，熱量散失較慢，降低了空冷速度，也是網(wǎng)狀鐵素體組織析出的主要原因。

根據(jù)理論計算和已有的研究成果[7~8]分析，針對原因（1）（2），做了上述熱處理均勻化和控制冷卻試驗。圖2為均勻化處理后緩冷試樣的顯微組織照片，可以看到盡管試樣經(jīng)過了充分奧氏體均勻化處理，可以消除因偏析帶來的影響，但由于冷卻速度過慢，不僅有鐵素體，還發(fā)生了珠光體組織轉(zhuǎn)變。這一過程表現(xiàn)為，試樣緩冷首先導(dǎo)致鐵素體沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，破壞了奧氏體內(nèi)碳濃度的平衡，鐵素體附近奧氏體中碳濃度增高，來不及擴散均勻化，滿足了滲碳體析出的條件，滲碳體的形成又降低了奧氏體中碳的濃度，鐵素體以細(xì)片狀析出，這一現(xiàn)象往復(fù)進行即是珠光體組織轉(zhuǎn)變的過程。隨冷卻溫度的繼續(xù)降低，未轉(zhuǎn)變奧氏體進入貝氏體區(qū)域時，又發(fā)生了貝氏體的轉(zhuǎn)變。最終形成網(wǎng)狀鐵素體+珠光體+貝氏體即圖2的形態(tài)。顯然這種組織形態(tài)與設(shè)計要求相差甚遠(yuǎn)，也不能滿足使用要求。圖3為奧氏體均勻化處理后將試樣取出，直接暴露在空氣中冷卻所得到的顯微組織照片，基本上由分布均勻的粒狀貝氏體組成。力學(xué)性能檢測結(jié)果如表3，布氏硬度測定平均值為301HB，組織和性能均滿足設(shè)計要求。

從表2和表3的拉伸試驗結(jié)果對比中可看出，空冷試樣的塑性和屈服強度有所下降，抗拉強度得到提高。一般認(rèn)為，鐵素體為韌性相，在應(yīng)力作用下，通過塑性變形，消耗部分裂紋擴展所需要能量，阻礙了裂紋擴展。但是，在奧氏體晶界處有大量鐵素體的析出，會導(dǎo)致貝氏體量減少，殘留奧氏體量也將減少，使組織均勻性下降，組織中缺少強化相和吸收裂紋擴展能量相，降低強度的同時也降低了韌性。鋼材屈強比（σs/σb）的適當(dāng)降低能夠提高零部件使用的可靠性。因此22Mn2SiVBS鋼熱鍛（軋）后的空冷速度應(yīng)控制得當(dāng)，保證鐵素體的析出量和析出形態(tài)不降低鋼的力學(xué)性能。

5  結(jié) 論

（1）通過對合金元素與鋼的組織轉(zhuǎn)變動力學(xué)關(guān)系的分析和計算，設(shè)計了空冷貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼22Mn2SiVBS ，經(jīng)熱鍛（軋）后在空氣中冷卻，即可得到以均勻粒狀貝氏體為主的顯微組織；鋼的抗拉強度達(dá)到900Mpa，延伸率10.9%，硬度HB301，達(dá)到設(shè)計要求。

（2）通過在1280℃溫度下，保溫2小時的高溫擴散處理后空冷，能夠消除因緩冷，過量鐵素體相沿原奧氏體晶界析出，而導(dǎo)致的鋼力學(xué)性能的下降，獲得均勻的貝氏體組織。

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