Nb、V和Ti对贝氏体钢屈服强度的影响

28 钢 铁 译 文 集 2009年第 1期 Nb、V和 Ti对贝氏体钢屈服强度的影响 L．Rancel等 摘 要 为 了解微合金元素对 贝氏体钢的影响 ，对七 种含有不 同 V、Ti、Nb和 N含 量的钢进 行 了研 究。35CrM04钢 (C一0．38 ；Mn一0．82 ；Si=0．25 ；Cr=0．83 ；Mo一0．17％)为参 照 钢种。通过不同冷却速率的膨胀试验确定 CCT图，并测定 贝氏体形成的最大和最小冷却速率。 抗拉试验结果显示，与不舍微合金化元素的参照钢种相比，贝氏体显微组织中存在的沉淀物有助 于提 高其屈服 强度 。屈服 强度可 用奥 罗万(Orowan)公式预测 。 关键 词 微合金化 贝氏体 屈服强度 1 前言 由于无法在整个转变温度下获得完全贝 氏体显微组织(不完全反应现象所致[1 )，因 此长久以来一直难以了解贝氏体对钢的力学 性能的影响。在上、下贝氏体中，一个板条束 内的贝氏体铁素体板条之间的边界为小角度 晶界 ，它们会妨碍位错移动，但不会阻碍裂纹 扩展。 板条束之间的晶界或原始奥氏体晶界都 是能够阻止裂纹扩展的大角度晶界。另一方 面，贝氏体内有效的强化机理也是众所周知 的：贝氏体板条束细、板条宽度小 ，位错密度 高，碳化物颗粒(Fe3C)数量大等等[2]。下贝 氏体 比上贝氏体更容易获得上述性能 ，但 因 为获得下贝氏体需要恒温转变，因此上贝 氏 体就比下贝氏体具有转变便宜的优势。 已尝试了几种方法将贝氏体显微组织与 其性能进行定量联系，并导出了不同的方程 式【3 ]。然而，Ti、V、Nb氮化物 、碳化物及碳 氮化物沉淀物对贝氏体钢力学性能 (尤其是 屈服强度和极限强度)的影响方面的研究却 很少 。Ashby-Orowan关系已应用于具有铁 素体一珠光体显微组织的钢上 ，但在贝 氏体 钢上并未得到广泛应用[6]。 贝氏体具有高的位错 密度 ，而且更重要 的是 ，即使当它们在相似的温度下成型时，贝 氏体 比不 整行 铁素体 拥有 更多 的位 错[1]。 Orowan和 Ashby—Orowan表达式过高地估 计了造成颗粒位错旁通所需 的应力 ，所 以在 铁素体或贝氏体情况下，其预测结果可能会 有所不同。 表 1 电渣重熔设备冶炼钢 种的化学成分 。钢基为 35CrMo4 wt 钢种 C Si Mn Cr Mo Xi N CR1 O．38 O．24 O．82 O．83 O．17 一 CR2 O．38 0．28 0．90 1．O1 O．2O V=0．12 CR3 O．37 0．26 0．91 1．02 O．2O Nb=0．019 CR4 O．36 0．30 0．96 1．14 0．23 Ti一0．08 CR5 O．36 0．38 0．94 1．16 0．23 Ti一0．038 CR6 0．38 0．3l O．93 1．06 0．21 V=0．11 CR7 0．39 0．31 O．85 0．95 0．19 V一 0．07 0．0090 0．0214 0．0082 0．0093 O．OO93 O．O170 0．0090 2009年第l期 钢 铁 译 文 集 29 2 材料与试验程序 用电渣重熔(ESR)设备炼钢。表 1给出 了这些钢的化学成分。除了 CR1钢不含微 合金化元素并作为参照钢种外，其他七种 35CrMo4系的钢锭的微合金化元素及含量 都各不相同。期望不同类型的微合金化元素 (Ti、V、Nb)及其不同的含量证实颗 粒对 贝 氏体晶内成核现象以及力学性能、尤其是韧 性的影响。钢种 CR2、CR6和 CR7是 V／N 比不同的 V微合金化钢，CR3钢是 Nb微合 金化钢 ，而 CR4和 CR5则是 Ti／N 比不同的 Ti微合金化钢。 通过膨胀试验来研究冷却期间的相变。 试验中使用 Adamel DT 1000高分辨率膨胀 仪。膨胀试样直径为 2mm，长 12mm。用 SEM—FEG和 TEM 进行分析 V沉淀物(氮 化物和碳氮化物)。 3 结果与讨论 为每种钢绘制了连续冷却转变(CCT)曲 线图。加热至奥氏体化温度的加热速率都是 相同的，均为 40K／s，且奥氏体化温度一直是 1000~C，这是曲轴及其他汽车部件标准的热 处理和锻造 温 度之 间的 中间温 度。此外 ， 1150℃左右的温度下制造的部件在首次加载 后，奥氏体晶粒尺寸因再结晶而明显缩小。 图 1 CR7钢的 CCT曲线图 该温度的保温时间为 lmin。通过膨胀 试验绘制出各个 CCT图，膨胀试验采用不同 的冷却 速率，从 淬火 (500K／s)直至最 低到 0．1K／s。图 1示出了 CR7钢的 CCT图。根 据该研究的目的，最值得关注 的转变应是冷 却期间的贝氏体转变 ，所以必须限定 冷却速 率，确保贝氏体转变是唯一或几乎唯一的显 微组织(>90 )。 表 2给出了获得几乎完全的贝氏体显微 结构的最大和最小冷却速率。从表 2的数据 中可以看出，所有 CR钢中，贝氏体转变的起 始和最终冷却速率基本类似 ，除 了 CR2和 CR6获得贝氏体的最大冷却速率分别达到 了 8K／s和 9K／s，而其 他钢种则为 3．5K／s 和 4K／s。因此，CR2和 CR6钢中的高 V含 量似乎有助于在连续冷却 中得到贝氏体，这 可能是贝氏体在 V 沉淀物 (VCN)上成核造 成的结果。 表 2 产生完全 贝氏体显微组织的 最高和最低冷却速率 钢种 最高冷却速率，K／s 最低冷却速率，K／s 在贝氏体转变过程中存在三个不同的过 程。一个亚单元在奥 氏体 晶界 处成核并延 伸 ，直至其生长被奥氏体 内的塑性变形所阻 止。然后新的亚单元在其顶端成核 ，而且 由 于连续亚单元之间的迟滞 ，所 以板条束肯定 比亚单元的小。碳化物沉淀物把 C从残余 奥氏体或过饱和铁素体 中去除，影 响了反应 速率 。 用 2×2×1 cm。的试样并 采用标准的 ASTM E一112测量不 同温度下的奥氏体晶 粒度。试样被放置在压力约 10 Mpa的真 30 钢 铁 译 文 集 2009年第 1期 空热处 理 炉 内。在 热 处理 温 度 下 保 温 45 min，然后进行油淬。所用钢种 奥 氏体 晶粒 尺寸的变化过程示 于图 2。图 中显示 了 Ti 颗粒(TiN／TiC)对钢种 CR4和 CR5晶粒尺 寸的控制效果 ，尽管这些钢 ，尤其是 CR4中 的 Ti／N 比 超 过 了 钛 氮 化 物 的 计 量 比 (3．42)。另一方面，Nb和 V对奥氏体晶粒 尺寸的影 响与预期的一样 ，因为众所 周知 ， Nb的控制力 比 V强，但这两者 的效果都 比 Ti弱一 ]。 图 2 奥 氏体晶粒度与温度的关 系 按照标准 EN一1002—1的规定完成抗 拉试验 。抗拉试验的试样于不同的奥氏体化 温度下进行处理，保温时间为 45 min，冷却 率列于表 2。除了微合金化元素含量和类型 以及 Ni含量外 ，所有的钢种都具有相 同的 C 含量和基础成分 。因此可以说在所有的情况 下，从奥氏体转变而来的渗碳体的百分数是 一 样的。这一点已经通过 CR2和 CR6上的 X射线衍射分析得到 了证 实，这两种钢具 有 几乎相同的贝氏体一铁素体、渗碳体和残余 奥氏体百分数(表 3)。在所有的钢中，贝氏 体(铁素体和渗碳体)的百分数通常在 93 9／6 以上，其余为残余奥氏体。 假设所用 的钢具有高的强度，最重要 的 量值是屈服强度和极限强度 。在把所有钢种 的结果与不含微合金化元素的参照钢种 CR1 表 3 通过 X射线衍射测定的贝氏体 铁素体 、残余奥氏体和渗碳体的百分数 比较后可以发现，贝氏体显微组织中的沉淀 物有助于提高其屈服强度(图 3)。屈服强度 值最高的是 Ti微合金化钢种 CR4，其奥氏体 晶粒尺寸比 V和 Nb微合金化钢 的更细，因 而，使得贝氏体板条束尺寸较细小。另一方 面，在 比较两种 Ti微合金化 钢时发现 CR4 钢中沉淀物体积高于 CR5，因此 CR4可能会 具有更强的强化效果。在奥氏体化温度(最 高 1150℃)时，沉淀物几乎不溶解(很容易计 算)，沉淀物的生长只发生在奥氏体化温度升 高时。根据 Lifshitz、Slyozov和 Wagner_6 的 表达式，这种生长在 Ti含量最高，或更具体 地说，在 Ti／N 比最高 的 CR4钢 中更显著。 另一方面，CR4钢中较高的 Ti含量意味着沉淀 物体积较大。这解释了为什么 CR4钢在奥氏 体化温度时，其屈服强度下降得比CR5多。 山 - 趟 襄 世生 口 哩 图 3 屈服强度与温度的关 系 E 垛 窨趟赠 趟梨咯 球 2009年第 1期 钢 铁 译 文 集 31 上述解释对 CR2和 CR6同样有效。根 据 Turkdoganl1 的研究，CR2和 CR6的 VN 的溶解温度分别为 1140℃和 1105℃。对于 VC0．75沉淀 物 ，其 溶 解 温 度 为 881℃ 和 873℃。根据上述计算，沉淀物类型为 VN。 在 1150℃的奥氏体化温度时，沉淀物完全溶 解并在随后的冷却期间再沉淀。然而，在 1050℃的温度下，沉淀物没有完全溶解。一 些未 溶 沉 淀 物 在 该 温度 时 长 大 (较 之 于 950℃时的平均尺寸)。因此 ，在 1050℃这一 温度下 ，沉淀物分数相当大 ，而形成于随后冷 却期间的部分则较少 。最后在 950℃的奥 氏 体化温度下 ，大部分沉淀物都是不溶解的，但 它们的尺寸长 大不多 ，小 于 1050℃时 的尺 寸。这点可 以解释 1050℃时屈服强度下降 的原因。 其他作者亦发现了复合沉淀物对铁素体 和珠光体显微组织的强化作用n n]。另一方 面，CR4钢比另一种 Ti微合金化钢(CR5)具 有更高的沉淀物体积分数。与其他 V微合 金化钢种(CR2、CR6和 CR7)和 Nb微合金 化钢种(CR3)相 比，CR4钢的奥氏体晶粒尺 寸较小(图 2)，因此贝氏体板条束尺寸以及 上述所有的铁素体板条束都较细，从而使屈 服强度提高，这与 TiN沉淀物形成互补。 先前已经提到，所有处理 中获得的显微 组织除了残余奥氏体外，都是贝氏体。图 4a ～ 4c是 CR1钢的若干显微组织图。从 图中 可以看出 950℃和 1150℃时的贝氏体显微组 织之间存在显著差异 ，前者更细小 。 图 4 CR1钢 的贝 氏体显微组织 ：(a)95O℃冷却 ；(b)1050~冷却 ；(c)1150~冷却 用 SEM—FEG 和 TEM 对 V 沉 淀物 (氮化物和碳氮化物)进行分析。通过 SEM — FEG分析，测定分别于 950℃和 l150℃时 处理的钢种 CR2和 CR6中大量 VN沉淀物 的大小，其 贝氏体显微组 织见 图 5和图 6。 对于每种钢和每种热处理，采 用若干显微照 片，在 100多个沉淀物上进行测量。图 7～ 1O是一些 SEM—FEG显微照片，从 中可以 看到微毫米的 V沉淀物(VN)和亮的渗碳体 板条在一起 。沉淀物在铁素体板条内(外观 较黑)，提高了强化作用，如图3所示。 圈 5 CR2钢 的贝氏体显微组织 ：(a)95O℃冷却 ；(b)115o~冷却 32 钢 铁 译 文 集 2009年第1期 图6 CR6钢的贝氏体显微组织：(a)95O℃冷却；(b)1150"(2冷却 图 7 VN纳米颗粒 SEM 图(CR2，950~C) 图 10 VN纳米颗粒 SEM 图(CR6 。 1150~C) 图 8 VN纳米颗粒 SEM 图(CR2。1150~C) 图 9 VN纳米颗粒 SEM图(CR6。950~C) 用光学显微镜对 CR2和 CR6钢中的贝 氏体板条束进行测定。每个板条束的尺寸由 I一~／1 l。计算得出，其中1 和 l 是每个板条 束的平均长度和平均宽度。对应于一次处理 的平均尺寸便是 40多个被测板条束的平均 值。平均尺寸随奥氏体化温度而改变，尽管 这种变化关 系不同于它和奥氏体晶粒尺寸之 间的变化关系。图 11显示了 CR2钢奥 氏体 化温度时贝氏体板条束平均尺寸和奥氏体晶 粒平均尺寸之间的关系。当奥氏体化温度降 低时，贝氏体板条束变细，直至这两种尺寸一 致。换言之，当奥氏体晶粒尺寸较大时，每个 晶粒都转变为几个贝氏体板条束，直到最后， 当奥氏体晶粒较小时，每个晶粒都将转变成 一 个单独的贝氏体板条束。这个结果与其他 作者L1]的预测一致，他们认为奥氏体晶粒尺 寸不会比贝氏体板条束的尺寸小。与 CR6 钢中获得的结果类似，因此这个结论可能对 其他钢种也是通用的。 2009年第1期 钢 铁 译 文 集 33 E _l刍∈ 嵌 蟮 ＆ 叵c 图 11 CR2钢的贝氏体板条束尺寸 与奥 氏体 晶粒 尺寸之间的关系 另一方面 ，尽管用光学显微镜测定 了贝 氏体板条束尺寸，电子背散射衍射(EBsD)的 测定结果也显示平均尺寸较小，但随奥 氏体 化温度的变化是相同的。 另外，虽然奥氏体晶粒尺寸影响贝氏体 板条束尺寸，但强度和贝氏体板条束尺寸之 间的关系尚不明确 ，而且我们注意到当贝氏 体板条束尺寸变化时，其他变量，如位错密 度，也会发生变化。那么奥氏体晶粒尺寸或板 条束尺寸未必对强度有任何明显的影响[】]。 已进行过很多尝试来分析晶粒尺寸对贝 氏体屈服强度的影响。尽管有关贝氏体的大 部分数据都能够适用于下列关系式： d∞ (￡)一 但结果却难以解释 ，因为不影响其他变 量，如前面提到的位错 密度和碳化物颗粒的 数密度[1 引，就无法更改从其长度(L)或纵横 比(厚度／长度)得出的板条尺寸。 图12～15示出了沉淀物尺寸的频率分 布。测定值约为 40nm左右。这对屈服强度 有明显影响[2]。 同时进行 了 TEM 研究 ，也测定 了衍射 图和X射线分析光谱。采用碳萃取复型技 术。发现沉淀物尺寸在 20～50nm的范围内 波动，与 SEM(图 16)测定 的平均尺寸一致 。 衍射图显示了FCC结构，晶格参数在 0．408 t 0．418之间，与 VN或 VCN相符 。 l5 35 55 75 95 l15 135 155 l75 l95 沉淀物尺寸，Nm 圈 12 95O℃时 CR2钢的沉淀物尺寸频率分布 沉淀物尺寸，nill 图 13 1150℃时 CR2钢的沉淀物尺寸频率分布 l 5 35 55 75 95 I1 5 l35 l55 l75 l95 沉淀物尺寸，nm 图 14 950℃时 CR6钢的沉淀物尺寸频率分布 34 钢 铁 译 文 集 2009年第 1期 (CR6钢。950~C×45 min) 应值 之差，可以发现试验屈服强度 提高 Orowan和 Ashb—Orowan公式 预测 了 (△d)，如图 3所示 。 细颗粒弥散 的强化作用 。根据下列表达式 ， 钢种 CR2和 CR6在 95o~C~ 1 150~c u~ 颗粒尺寸的细化会使屈服强度显著提高嘲： 的奥氏体晶粒尺寸和相同温度下的参照钢种 0rowan： CR1的晶粒尺寸相似(图 2)。因此，屈服强 ． 83．2·f“z ， 、 度值上的差异将是由沉淀强化造成的。 A 表 4列出了通过公式(1)和(2)以及试验 A hb)r．ur0wan： 预测的△ 结果。试验预测值和两个公式预 Ao-== ln( ) (2) 测值接近 ，为同一个数量级 。 A U ． 上 厶 J ’ 上U 表 4 钢种 CR2 y CR6的预 测与试验 强化 (△ d) 钢种 奥氏 温度 CR2 950 CR2 115O CR6 950 CR6 115O f m △ 。 lV l fl程 △ 杰程 △ ，试验 nm U r ra 1．86·10-‘ 41．2 5·10一。 71 41 70 1．86 ·1O～ 51 6．2 ·10一。 57 34： 75 1．68 ·10-。 37．6 4．6 ·10一 74 42 79 1．68 ·10_。 37．8 4．6·10一。 73 4-1 64 2009年第1期 钢 铁 译 文 集 35 Orowan公 式 (1)预测 的屈 服强 度 比 Ashby—Orowan公式 (2)的预测结果高很 多，这是因为在 Orowan公式 中采用了颗粒 有序阵列的最小间距 ，而 Ashby-Orowan公 式则采用了颗粒无序阵列的有效间距 。 4 结语 本次研究的重要结论如下：钢种 CR2和 CR6中的 VN沉淀物尺寸大约在 35～50nm 之间；与奥氏体化温度无关 ；与 CR1参照钢 种相比，沉淀物 (氮 化物和碳 化物)提 高 了 CR钢的屈服强度 。这些颗粒所造成的强化 试验值与 0rowan公式的预测值近似。 参考文献 1-13H．K．D．H．Bhadeshia：“Bainite in Steels”，2nd ed．，Institute of Materials，London，2001． 1-z]F．B．Picketing：“Physical Metallurgy and the Design of Steels”， Applied Science Publishers LTD，London，1978． [3]R．w．K．Honeycombe and F．B．Piehering： Met．Trans．，3(1972)，1099-l1l2． 1-43 M．E．Bush and P．M．Kelly：Acta Met．，19 (1971)，1363—1371． [53D．W．Smith，R．F．Hehemann：J．Iron Steel Inst．，209(1971)，476—481． [6]T．Gladman：“The Physical Metallurgy of Mi— croalloyed Steels”．1 st ed．，The Institute of Ma— terials．London，1997． [7]S．F．Medina，M．Chapa，P．Valles，A．Quispe and M ．I．Vega：ISIJ Int．，39(1999)，930—936． [8Is．F．Medina，A．Quispe，P．Valles，J．L．Ban— OS：ISU Int．，39(1999)，913-922． [9-1J．Kunze，B．Beyer，S．Owwald and W．Grun— er：Stee1 Research，66(1995)，16l一166． [IO3 H．Najafi，J．Rassizadehghani and A．Hal～ vaaee：Mater．Sci． Technology，23 (2007)， 699—705． [11]Y Li，J．A．wilson，A．J．Craven，P．S． Mitchell，D．N．Crowther and T．N． Baker： Mater． Sci． Technoloogy， 23 (2007)，509— 518． [12]J．Wang，S．Van der Zwaag，z．Yang and H． S．Fang：Mater．Lett．，45(2000)，228—234． 1-13]E．T Turkdogan：Iron 8L Steelmaker，16 (1989)，61—75． [14]P．A．Manohar，D．P．Dunne，T．Chandra and C．R．Killmore：ISIJ Int．，36 (1996)， 194— 200． 韦 菁 张 武 译自《steel research int．92008(79)： 947～ 953 校对