毕业论文,屈服强度590MPa级低碳贝氏体钢的研发

,屈服强度590MPa级低碳贝氏体钢的研发 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 毕 业 论 文 屈服强度590MPa级低碳贝氏体钢的研发 Development of Low-carbon Bainitic Steel with Yield Strength up to 590MPa 学院名称: 材料科学与工程学院 专业班级: 冶金工程0601 学生姓名: 华云平 指导教师姓名: 霍向东 指导教师职称: 副教授 2010 年 6 月 江苏大学本科毕业论文 屈服强度590MPa级低碳贝氏体钢的研发 专业班级:冶金0601 学生姓名:华云平 指导老师:霍向东 职称:副教授 摘要:低碳贝氏体钢具有高强度、高韧性且焊接性能优良等特点，是理想的新型钢种。本工作的目的是在实验室中开发590MPa级低碳贝氏体钢。首先用真空感应炉冶炼50KG的钢锭;然后用热膨胀法，在Gleeble-3500热模拟实验机上测定了低碳贝氏体钢的动态CCT曲线，分析了连续冷却条件下不同冷速得到的显微组织，确定了低碳贝氏体钢的相变温度范围为 651?,420?;以此为依据，实验室轧制中选择了空冷、水冷和水冷至530再空冷三种轧后冷却方式。结果表明:实验钢空冷至室温的组织主要为准多边形铁素体、粒状贝氏体和较大块的岛状物;实验钢水冷至室温的组织主要为板条贝氏体;实验钢水冷到530?、再空冷至室温的组织同空冷到室温的轧态组织类似，只是出现了板条贝氏体的形貌特征。用空冷至室温和两阶段冷却得到钢板的强度达不到要求，而韧性更差，-20?的冲击功仅约为10J;轧后水冷至室温的钢板屈服强度为655,740MPa,，抗拉强度超过820MPa，冲击韧性也远远超过技术指标要求，-20?的冲击功高于70J。实验采取的三种冷却工艺，只有水冷的实验钢达到了指标。 关键词:低碳贝氏体钢 热模拟实验 CCT曲线 冷却工艺 显微组织 II 江苏大学本科毕业论文 Development of Low-carbon Bainitic Steel with Yield Strength up to 590MPa Abstract: Low-carbon Bainitic steel is a new steel grade with high strength, high toughness and welding performance. The purpose of this work is to develop low-carbon bainitic steel with yield trength up to 590MPa in the lab. Firstly, 50kg ingot was melted with the vacuum induction; secondly, s thermal simulation was conducted on the Gleeble-3500 machine to analyze the transformation temperature and microstructure after cooling with different cooling rates, at the same time ,the dynamic CCT curvewas drawn. The bainitic transformation temperature region of experimental steel Bainite steel is 650? c ~ 420? c.. Basesd on the results of thermal simulation, three cooling parameters were adopted after rolling in labotary. The results can be summarized as follows: The microstructure of steel, air cooling to room temperature, was composed of quasi-polygonal ferrite and granular bainite with island distributing. experimental steel cooling to 530 ? c, then air cooling to room temperature is similar to air cooling to room, temperature of rolled organization only in the Strip Bainite morphology. water cooled to room temperature was composed of lath martensite.Air cooling to room temperature and a two-stage cooling plate of strength is not sufficient, were about impact power only as 10J under -20 ? c; mill water cooled to room temperature yield strength of steel plate was about 655 ~ 740MPa,, tensile strength exceeding 820MPa, toughness or far exceeds specification requirements,-20 ? c higher than the 70J of impact energy. three cooling processes were taken in the Experiment,only the water cooling of steel reached the indicators. Key words: carbon Bainite steel ,thermal simulation, CCT curve ,cooling processd,Microstructure; III 江苏大学本科毕业论文 目录 引言 ..................................................................... 1 第一章文献综述 ............................................................ 2 1.1低碳贝氏体钢和贝氏体相变 .............................................. 2 1.1.1 低碳贝氏体钢概念 .................................................. 2 1.1.2 低碳贝氏体钢中添加的合金元素作用 .................................. 2 1.1.3低碳贝氏体钢的类型 ................................................. 3 1.1.4贝氏体相变的基本特征 ............................................... 5 1.1.5贝氏体的转变机制 ................................................... 6 1.2 低碳贝氏体国内外研究现状 .............................................. 6 1.3低碳贝氏体钢组织控制技术 .............................................. 8 第二章 实验方法和内容 .................................................... 10 2.1 实验方法 ........................................................... 10 2.1.1冶炼 .............................................................. 10 2.1.2热模拟 ............................................................ 10 2.1.3轧制 .............................................................. 12 2.2 实验内容 ............................................................. 13 2.2.1金相试样的制备及组织观察 .......................................... 13 2.2.2透射电镜样的制备及观察 ............................................ 14 第三章 低碳贝氏体钢CCT曲线和连续冷却转变组织特征 ......................... 15 3.1 低碳贝氏体钢CCT曲线的分析讨论 ....................................... 15 3.2连续冷却转变组织特性的分析讨论 ....................................... 16 3.2.1冷却速度对低碳贝氏体钢组织类型的影响 .............................. 16 3.2.2M/A组元的组织特点 ................................................. 19 3.3本章小结 ............................................................. 20 第四章 不同冷却工艺下的低碳贝氏体钢组织和性能 ............................. 22 4.1力学性能 ............................................................. 22 4.2显微组织 ............................................................. 23 4.3分析和讨论 ........................................................... 24 4.4本章小结 ............................................................. 25 第五章 结论 .............................................................. 27 参考文献 ................................................................ 28 致谢 .................................................................... 31 IV 江苏大学本科毕业论文 引言 低碳贝氏体钢是国际上近30年发展起来的具有高强度、高韧性且焊接性能优良的一类多用途新型钢种,被誉为21世纪钢种，它的出现是社会需求和现代冶金技术发展的必然 [1,2]结果。从资源和成本核算考虑，用户普遍要求使用高性能、低成本的金属材料，具有优良综合力学性能的微合金低碳贝氏体钢正是为满足这一需求而研发的，在桥梁、建筑、车 [3,4]辆、舰船、飞机构件等方面具有广泛的应用前景。 本工作结合某大型钢铁集团开发低碳贝氏体钢的实际，在实验室进行了低碳贝氏体钢的研究:(1)确定化学成分 (2)热模拟 (3)轧制和冷却工艺。近年来，人们对低碳贝氏体钢控制轧制以及在轧制之后的连续冷却过程中的组织转变特征进行了广泛的研究。CCT曲线对确定钢在冷却过程中的组织转变和最终性能起着重要作用，通过模拟试验来模拟实际生产中的控制轧制及控制冷却过程来确定钢的CCT曲线，对确定钢合适的轧制工艺及轧后冷却工艺，以及掌握其最终组织具有十分重要的意义。本工作的目的是在实验室中开发590MPa级低碳贝氏体钢。首先用真空感应炉冶炼50KG的钢锭;然后用热膨胀法，在Gleeble-3500热模拟实验机上测定了低碳贝氏体钢的动态CCT曲线，分析了连续冷却条件下不同冷速得到的显微组织，确定了低碳贝氏体钢的相变温度范围为 651?,420?;以此为依据，实验室轧制中选择了空冷、水冷和水冷至530再空冷三种轧后冷却方式。综合分析冷却速度和冷却工艺之间的相互联系，以便优化大生产工艺。 本工作的目的希望通过实验室的研究结果，确定工业化生产低碳贝氏体钢的成分和工艺设计，为生产提供依据。 1 江苏大学本科毕业论文 第一章文献综述 1.1低碳贝氏体钢和贝氏体相变 1.1.1 低碳贝氏体钢概念 低碳贝氏体钢是以钼钢或钼硼钢为基础，同时加入锰、铬、镍以及其他微合金化元素(铌、钛、钒)，从而开发出一系列低碳贝氏体钢种。这类钢的含碳量多数控制在0(16,以下，最多不应超过0(20,。由于低碳贝氏体组织钢比相同含碳量的铁素体一珠光体钢具有更高的强度，因此，低碳贝氏体钢种的研发将成为发展屈服强度为450,800 MPa级别钢种的主要途径。 钢中的贝氏体相变是发生在珠光体分解和马氏体相变温度范围之间的中温转变，既有 [5]珠光体分解的某些特征，又有马氏体相变的一些特点，是一种相当复杂的相变。贝氏体组织形貌复杂，关于贝氏体至今研究不够充分,且有激烈争论。但贝氏体相变及其产物在实际生产上已得到了重要的应用，尤其是低碳贝氏体钢在国内外都有很大的发展和应用，低碳贝氏体钢是在低碳的基础上加一些微量合金元素，经过热轧空冷或者控轧控冷、正火获得的具有贝氏体组织的钢种。在普通轧制状态下,为达到必要的强度可添加Si 、Mn、Cr 、Ni 和Mo 等元素,或借助正火后的加速冷却使金相组织中出现一种粒状组织,是α- Fe 基体上分布块状或条状M/ A 相的结构,称之为粒状贝氏体。如不采取细化晶粒或补充回火以充分分解这种粒状贝氏体,对钢的韧性将有不利的影响,强韧性很难兼顾。因此,采用控轧工艺,在以较低的碳含量维持必要的韧性的同时,又改善了钢的焊接性。 1.1.2 低碳贝氏体钢中添加的合金元素作用 低碳贝氏体钢中常用的合金元素有C、Mo 、B、Si、Mn、Nb、Ti、Cu等，这些合金元 [6,7]素在钢的作用如下: (1)C:碳元素是强间隙固溶强化元素，可提高强度，但不能依靠其提高强度。尽量降低含碳量，即保持一定的韧性，也为了获得良好的焊接性。 (2)Mo:钼元素能够使钢在空冷条件下获得贝氏体组织。钼元素使钢的奥氏体等温转变曲线中的铁素体析出出现明显右移，但并不明显推移贝氏体转变，所以过冷奥氏体得以直接向贝氏体转变，而在此前没有或者只有部分先共析铁素体析出，这样也就不再发生珠光体转变。 2 江苏大学本科毕业论文 (3)B:利用微量硼元素，使钢的淬透性明显增加。钼硼复合作用使过冷奥氏体向铁素体的等温转变曲线进一步右移，使贝氏体转变开始线明显突出。为了在空冷条件下得到全部低碳贝氏体组织，铝硼复合作用十分有效。 (4)Si:硅元素是固溶强化元素，使贝氏体转变发生在更低的温度，并使贝氏体转变C曲线右移。 (5)Mn:锰元素是提高强度和韧性的有效元素，对贝氏体转变有较大的促进作用。 (6)Nb:铌元素能够有效地延迟变形奥氏体的再结晶，阻止奥氏体晶粒长大，提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒，同时改善强度和如下;它与微量的硼元素复合作用，可以显著地提高淬透性，促进贝氏体转变，时效析出强化。随着Nb在钢中的溶解度增大，形成贝氏体的趋势增大。 (7)Ti:加入微量的钛，是为了固定钢中的氮元素，从而确保硼元素的提高淬透性效果。硼与氧、氮的亲和力较大，如果加入的微量硼与钢中大的氧、氮起作用，硼的促进贝氏体转变的作用将消失。因此，必须将钢中气体尽量降低，加入足够量的铝、钛进行完全脱氧和固氧，才能充分发挥硼的作用。在最佳状态下，钛、氮元素形成氮化钛，阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。 (8)Al:铝元素是脱氧元素，可作为AlN形成元素，有效地细化晶粒，其含量不足0.01%时，效果较小;超过0.07%时，脱氧作用达到饱和;再高则对母材及焊接热影响区韧性有害。 (9)Cu:铜不仅对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良的影响，又可使母材的强度提高，并使低温韧性大大提高，还可提高耐蚀性。 1.1.3低碳贝氏体钢的类型 方鸿生等人于20世纪70年代研究出在正火状态便可获得贝氏体组织的Mn-B系贝氏体钢在工业中得到广泛应用并逐步形成了低碳等钢种系列。康沫狂等人在Mo-B系贝氏体钢的基础上开发出贝氏体铁素体和富碳的膜状残余奥氏体组成的Mn-Si-Mo系贝氏体钢并发展成系列。国家先后将这些新型空冷贝氏体钢技术列为科技重点推广项目，经过近几十年的研究开发低碳贝氏体钢产品日益丰富起来。下面着重介绍低碳贝氏体在我国的一些应用。 3 江苏大学本科毕业论文 (1) 低碳粒状贝氏体钢 Mangonon等人认为粒状贝氏体是一种缺陷组织，含有此类组织的钢韧性很差，但方鸿生等人认为，在一定的条件下，具有粒状贝氏体组织的钢可以具有优良的强韧性配合，如方鸿生等人发明的低碳空冷粒状贝氏体钢经锻轧后空冷有良好的力学性能。唐山贝氏体钢总厂利用该项贝氏体钢技术开发的级非调质低碳Mn-B系粒状贝氏体高强度抽油杆用钢,经锻轧空冷用于生产的级抽油杆已用于大庆、胜利、克拉玛依等油田。一汽、二汽和重汽等厂家己经用低碳空冷粒状贝氏体钢生产汽车前桥。重点工程上海东海大桥防撞护栏采用含铁素体+粒状贝氏体复相组织的低碳贝氏体钢，用厚度的钢板替代的普通钢板，可使钢板厚度减薄，易于成形安装，减少材料消耗，并且降低了构件整体自重，具有可观的社会效益和经济效益。 (2)低碳仿晶界铁素体粒状贝氏体复相钢 通过适当的合金化设计，在低碳空冷粒状贝氏体非调质钢中引入晶粒细小的仿晶界型铁素体，形成仿晶界型铁素体粒状贝氏体复相组织，该种组织有良好的力学性能。在未采用炉外精炼、无贵重合金元素、无控轧控冷条件下，在济南钢板生产在线热轧空冷，成功生产出厚度为等规格的低碳空冷仿晶界型铁素体粒状贝氏体钢中厚钢板，已在山东工程机械厂、济南原料厂等多个单位试验和使用，结果表明其强韧性高、耐磨性好、焊接性能优良，显示其在量大面广的工程机械中具有广阔的应用前景。 (3)低碳Cr-Mn-Si-Mo系贝氏体渗碳钢 含0.18-0.22%C的Cr-Mn-Si-Mo贝氏体钢在与18CrNi3MoA钢同样的渗碳工艺下渗碳处理后，该贝氏体钢表面硬度为60.5HRC心部硬度为40HRC，渗层深度为1.0-1.2mm，该贝氏体钢制造的重型钎杆在三峡水电站永久船闸工地实验结果表明，其平均凿岩寿命达每根794m，优于18CrNiMoA钢重型钎杆，是理想的重型钎杆用钢。用贝氏体渗碳钢代替3 18CrNiMoA钢，不但可以简化工序，而且能大幅度降低材料成本，其推广应用，经济效益3 将十分可观。 (4)无碳化物贝氏体马氏体复相钢 屈服强度超过1000MPa的低合金高强度或超高强度钢制成的工件在使用过程中，因环境中的氢进入钢中，存在延迟断裂问。刘冬雨等人在开发新一代1500MPa级机械零件和工程构件用钢时，设计采用含有稳定残余奥氏体的低碳无碳化物贝氏体马氏体复相组织(CFB/M)，以改善钢的强韧性和延迟断裂性能，有望成为新世纪的高强度螺栓等结构件用 4 江苏大学本科毕业论文 钢。CFB/M钢长型材己用于制作件、武器、大型弹簧、模具等。B149(CFB/M)钢制造的14.9级M56×1500mm大螺栓满足和超过英标BS3692、14.9级螺栓标准要求，已供香港码头作钢结构紧固件，也达到了国家863项目的目标。铁路新型辙叉，是目前国内外唯一的超高强度焊接辙叉，可使车辆平稳运行和省略维修工程。 1.1.4贝氏体相变的基本特征 贝氏体相变既有马氏体相变的某些特征，又有珠光体转变的某些特征。 (1)贝氏体相变温度范围 贝氏体相变是中温转变，转变温度范围较宽，转变前有孕育期，相应的有转变上限温度B点和转变下限温度B点。 sf (2)贝氏体相变的产物 贝氏体相变的产物的产物是由铁素体和碳化物组成的两相混合物，但是并不是珠光体的层片状组织，其组织形态与转变温度密切相关。就铁素体相而言，更多的类似于马氏体而不同于珠光体， (3)贝氏体相变动力学 贝氏体相变也是通过形核和长大的方式进行的。贝氏体相变过程主要是贝氏体铁素体的形核长大的过程。贝氏体既可以在转变温度范围内等温形成，也可以在一定冷却范围内形成。贝氏体等温转变动力学曲线也呈S形，贝氏体等温转变动力学图也呈C形。 (4)转变的不完全性 与珠光体转变不同，贝氏体转变与马氏体转变一样，不能进行到底。转变温度愈靠近B点，能够形成的贝氏体就越少。 s (5)贝氏体相变的扩散性 贝氏体相变时只有碳原子的扩散而无铁原子及合金元素原子的扩散。因此贝氏体转变得扩散性指的是碳原子的扩散。 (6)晶体学特征 贝氏体相变在抛光表面引起浮凸，呈V形，贝氏体铁素体具有一定的惯习面，并与母相奥氏体保持一定的晶体学位向关系。 5 江苏大学本科毕业论文 1.1.5贝氏体的转变机制 贝氏体相变理论的研究涉及了贝氏体及贝氏体相变的全部内容:Fe-C系中贝氏体铁素体的FCC-BCC点阵结构演变方式、碳在α/γ相间的分配、渗碳体或其他碳化物的形成、相变应变场、相变组织形态学、相变热力学、动力学、和晶体学等。从20世纪70年代以来，在贝氏体相变领域形成了两大学派:经典切变学说和台阶扩散长大学说。1987年由我国俞德刚等提出了贝氏体类平衡切变长大模型或位错-扩散耦合相变机制。 1.2 低碳贝氏体国内外研究现状 国外学者根据贝氏体相变理论对贝氏体钢进行了大量的研究，设计了不同成分的钢种和生产工艺，形成了不同系列的贝氏体钢，大大推动了贝氏体钢的发展及其应用。 [8]20世纪50年代，英国人P(Pickering等发明了Mo-B系空冷贝氏体钢。Mo与B的结合可以使钢在相当宽的连续冷却速度范围内获得贝氏体组织。由于生产成本较高，因此该钢种的发展受到一定限制。 [9]日本东京钢公司研制了低碳含V贝氏体非调质钢，该钢锻后空冷得到以贝氏体为主及少量铁素体和珠光体的显微组织，其抗拉强度达到800,1000MPa，室温冲击韧性为50J,22cm，而--40?冲击韧性仍高达40 J,cm。日本新日铁公司在贝氏体非调质钢的研究开发中多添加微合金化元素，这类钢在很宽的冷却速度范围内都可获得贝氏体组织，并可获得更好的低温性能，适合于强度高、韧性好的汽车行走系部件。 [10]F(G(Caballelo等在设计高强度贝氏体钢的研究中，设计了Fe-0(2C(2Si一3Mn和Fe-0(4(2-2Si一4Ni两种钢成分。研究发现，Fe-0(2C-2Si一3Mn贝氏体钢表现出良好的断裂韧性，强度可以达到1375,1440MPa;而增加碳含量，即Fe-0(402Sb4Ni成分的贝 [11]氏体钢强度可达1500,1840 MPa，其断裂韧性稍低，但仍然要高于高强度马氏体钢。这 [12]两种钢均需回火处理。美国联邦铁路管理局与Tuskegee大学开发的低碳贝氏体钢轨钢，其极限强度、屈服强度、延伸率分别为1500MPa、1100MPa和13,，比相同条件下的珠光体钢性能要高，且具有良好的断裂韧性，其值是相同条件下珠光体钢断裂韧性的1(5倍。 低碳微合金化控轧控冷贝氏体钢研制成功后，受到工程界的注意，逐步得以推广应用。在此基础上发展了超低碳的控轧控冷贝氏体钢(ULCB钢，含碳量小于0(05,)。McEvily于1967年研制出采用Mn、Mo、Ni、Nb合金化的ULCB钢，经热机械控制(TMCP)处理后，屈服强度达到700MPa，且具有良好的低温韧性和焊接性能。日本钢铁公司研制了X70和XS0超低碳 6 江苏大学本科毕业论文 控轧贝氏体钢，其屈服强度高于500MPa，脆性转变温度(FATT)小于一80?，它既可以作为 [13]低温管线钢，也可作为舰艇系列用钢。DeArDo等开发出ULCB-100型超低碳贝氏体中厚钢板(含碳量低于0(03,)，通过控轧控冷处理和高度合金化实现细晶强化、弥散强化与位错强化的综合作用。该钢种以80,累积变形量进行精轧并随后空冷，其屈服强度可高达 [14,15]700MPa，且FATT可提高到30,50?。巴西学者通过模拟高强低合金贝氏体钢的控轧控冷工艺过程，研究了控轧控冷工艺参数对其微观组织和力学性能的影响，发现轧制后冷却 [16]速率与终轧温度是主要的控制工艺参数。波兰学者。研究了在热轧、淬火及回火加工条件下超低碳贝氏体钢的微观组织与力学性能，研究表明，可以获得屈服强度大于650 MPa、低温冲击性能为200 J(213 K)的应用于造船、海上石油钻采平台、压力容器及高性能结构部件的超低碳贝氏体钢板。 近代工业发展对热轧非调质钢板的性能要求越来越高，除了具有高强度外，还要具有良好的韧性、焊接性能及低的冷脆性。目前世界上许多国家都利用(超)低碳的控轧控冷贝氏体钢生产高寒地区使用的输油、输气管道用钢板、低碳含铌的低合金高强度钢板、高韧性钢板，以及造船板、桥梁钢板、压力容器用钢板等。 国内高强度钢的发展大约比国外落后数十年，目前我国鞍、武钢、舞钢、济钢和宝钢等企业均生产过低碳贝氏体钢板。总体上讲，国内钢铁企业基本上是跟踪国外的技术，采用与国外类似的合金化体系，技术上主要采用微合金化和控轧控冷技术。 [17]清华大学方鸿生等在研究中发现，Mn在一定含量时，可使冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的上、下c曲线分离，发明了Mn-B系空冷贝氏体钢。他突破了空冷贝氏体钢必须加入Mo、W的传统设计思想，研制出中高碳、中碳、中低碳、低碳Mn-B系列贝氏体钢。 [18]西北工业大学康沫狂等通过多年的研究提出了由贝氏体铁素体(即低碳马氏体)和残余奥氏体组成的准(非典型或无碳化物)贝氏体，并成功研制了系列准贝氏体钢。与一般结构钢相比，新型准贝氏体钢具有更好的强韧性配合，其力学性能超过了典型贝氏体钢、调质钢和超高强度钢。 [19]山东工业大学李风照等根据贝氏体相变原理，通过合理控制成和优化冷却，并运用细晶强化、弥散强化等主要强韧化机制及其迭加效应，采用微合金变质处理，开发了隐晶或细针状贝氏体的高品质贝氏体或高级贝氏体钢。 我国低碳贝氏体钢的控轧控冷研究和应用相对较晚，在20世纪80年代初才开始这方面 [20,21]的工作。武钢于1999年开始试制板厚12,30mm、抗拉强度达到590MPa、685MPa级别的 7 江苏大学本科毕业论文 低(超低)碳贝氏体结构板，产品采用铁水预脱硫、RH真空处理工艺降低C含量，增Mo-B-V-Nb [22]等合金元素，且需热处理。济钢阳研制开发了一种新型的贝氏体高强钢(C-Si—Mn-Cr系)，其特点是钢中不加入昂贵的Ni、Mo、B等元素，而用少量普通元素V、Mn、Cr合金化，以低廉的合金成本代价就能使钢板TMCP处理后空冷自硬，从而节约大量热处理费用，降低了生产成本和生产难度。攀枝花钢铁公司与清华大学、二汽合作开发的贝氏体微合金非调质钢12Mn2VB代替45调质钢制造汽车前轴，效果良好。 [23]宝钢研究了Mn-Mo-Nb-B系超低碳贝氏体钢的钢坯加热、控制轧制、控制冷却、时效处理诸因素与钢力学性能的关系，生产了620 MPa、690 MPa、780 MPa等3个级别的钢板。 [24]鞍钢采用控轧控冷工艺试制了HQ590DB超低碳贝氏体钢板。其终轧温度为800,850?，控制终冷温度为590,630?，获得铁素体和板条状贝氏体组织，钢板抗拉强度达650,690 MPa，屈服强度达490,590 MPa，延伸率为20,，并具有良好的成形性能。采用奥氏体再结晶、未再结晶、奥氏体与铁素体两相区三段控轧工艺并配合相应的压下率，舞钢试制成 [25]功了低碳贝氏体钢WDB620、DB690及WH70E。 实践证明，采用合金化与控轧控冷工艺技术是生产强度高、韧性好、可焊性优良且成本低的贝氏体钢板的最好办法。国内对低碳贝氏体钢的研发大部分停留在试验研究阶段，只有个别厂家成功生产出性能优良、成本低廉的低碳贝氏体钢板。 1.3低碳贝氏体钢组织控制技术 钢中贝氏体是过冷奥氏体在珠光体转变和马氏体转变之间的中温区域的分解产物,故 [26]称中温转变,一般为铁素体和碳化物组成的两相混合物。贝氏体既有珠光体转变的某些特征,又有马氏体转变的某些特征,这给贝氏体带来复杂的相变性质和多样的组织形态。影响贝氏体组织形态的除内在因素诸如钢的化学成分和母相组织以外,组织控制工艺也是至关重要的。 (1)等温处理 [27]等温处理获得贝氏体钢铁材料是钢铁冶金领域的重大成就之一。然而等温淬火工艺及设备复杂、能源消耗大、产品成本高、淬火介质污染环境、生产周期长等,致使贝氏体钢铁材料在工程上的推广应用受到限制。但低温下长时间等温处理可获得超强低温贝氏体,是发展超级钢、纳米钢铁材料的方向之一。 (2)空冷处理 8 江苏大学本科毕业论文 为了克服等温处理的缺点,材料工作者采用铸后空冷的方法制备了MoB 系贝氏体钢,2但为了获得较多的贝氏体必须加入铜、钼、镍等贵重合金,这不但成本高,而且韧性也较差[28]。清华大学开发的MnB 系贝氏体钢和康沫狂等开发的准贝氏体钢弥补了MoB 系贝氏体22钢的缺点,成为近年来贝氏体钢发展的主要方向。最近,国内又研究了正火贝氏体钢。 (3)控制冷却处理 控制冷却原是钢材控制轧制工艺过程中的概念,近年来发展成为一种高效、节能的热处理方法,热处理时通过控制冷却可获得所设计的组织,提高钢的性能。20世纪60 年代中国对钢的控轧控冷研究证明,控制冷却在钢化学成分适宜时会促进强韧的低碳贝氏体形成。控制冷却常用的方式有压力喷射冷却、层流冷却、水幕冷却、雾化冷却、喷淋冷却、板湍流冷却、水-气喷雾冷却和直接淬火等8种。它们各有优势,根据具体工艺环境和限定条件来确定。在一定意义上讲,等温淬火热处理实际是控制冷却的特例 ,因此,借鉴等温淬火和控制热处理的思想,通过控制冷却,在高温区快冷避开珠光体转变,在中温区缓慢冷却(保温) ,以一定手段如炉中恒温在贝氏体转变区营造一个“准等温环境”,实现钢中贝氏体转变。利用控轧和控冷相结合,驰豫过程可以充分细化组织,大幅度提高强度和韧性,从 [29,30]而制备出超细晶高强度贝氏体钢。此加工工艺具有操作简单、成本低和生产效率高等 [31]优点,是生产贝氏体钢加工工艺的发展方向。最近,舒信福等开发了准铸态贝氏体低碳球 [32][33];C. Gupta 等研究了连续冷却制备高强度贝氏体钢铁;R. A. J aramillo 等。在低温贝氏体研究基础上研究了连续冷却制备超高强度贝氏体钢。 9 江苏大学本科毕业论文 第二章 实验方法和内容 2.1 实验方法 2.1.1冶炼 在实验室中用50kg的真空感应炉冶炼低碳贝氏体钢，化学成分如表2.1所示。将冶炼后的钢锭分别锻造成用于加工热模拟试样直径为10mm的圆棒，然后加工成规定的热模拟试样，以便热模拟试验机通用系统中U形卡具夹持，加工试样的尺寸如图2.1所示。并且将其中心12mm段(所研究的变形部分)直径加工成5mm, 以提高实验过程中试样的冷却速度。 表2.1低碳贝氏体实验钢的化学成分 (wt%) C Si Mn S P Mo Nb V Ti Al B N 成 分 0.2- 1.4- 0.30 0.04-0.06 0.04- 0.02-.0.04 0.001- 范?? ? ? 0.05 0.006 围 0.3 1.6 0.06 0.01-0.03 0.002 0.006 0.012 0.03 0.25 1.5 0.005 0.010 0.30 0.05 0.05 0.015 0.03 0.0012 0.005 目 标 值 R2 ,5,10 12 5 图2.1模拟试样尺寸 2.1.2热模拟 Gleeble热模拟机是专门模拟金属变形、降温、焊接等工艺过程的设备，它可对试样加热、冷却、变形，控制加热冷却速度和变形量、变形速率等，同时获得冷却时膨胀量。由于钢由奥氏体转变为铁素体，伴随着体积膨胀效应，这种相变引起的体积膨胀效应改变 10 江苏大学本科毕业论文 了连续冷却时体积收缩的过程，因此通过测量膨胀引起的体积扰动，可以获得相变开始、结束的信息。 本热模拟实验在Gleeble-3500热模拟实验机上进行，将试样以10?/s的速度加热至1200?，保温5min后，以10?/s的速度冷却到1050?，进行第一次变形，变形速率 -1-1为8S，变形30%;然后以10?/s的冷速冷却到850?进行第二次变形，变形速率为8S，变形30%。此为实验室下的控轧部分，为了使钢获得更好的综合性能, 还需进行冷却速度的控制,分别以0.2、0.5、1、3、5、10、15、20、25、30、50?/s的冷速冷却至室温。具体的热模拟试验过程如图2.2所示。在冷却过程中对时间、温度、膨胀量进行记录和保存。 1200? 保温5min 10?/S 850?， 变形30% -1ε=8s 温10?/S 度 1050?， 变形30% -1ε=8s 10?/S 不同的冷却 速度 时间 图2.2 热模拟试验过程 CCT曲线的绘制步骤: (1)膨胀曲线的绘制 利用在Gleeble-3500热模拟实验机上得到的温度、膨胀量的数据，用origin 软件绘制膨胀量随温度变化的曲线图。 (2)相变点的确定 从膨胀曲线上确定相变点的方法有切线法、顶点法、切角法、平均法等，本实验采用的方法为切线法，取膨胀曲线直线部分的延长线与曲线部分的分离点作为临界点。这符合 11 江苏大学本科毕业论文 金属学原理的要求。 (3)相变时间的确定 根据相变点的温度、初始温度和冷却速度可以求出相变的时间。 (4)CCT曲线的绘制 由得到的相变点及不同冷却速度的温度-时间关系，通过origin软件绘制得到钢种的CCT曲线。 2.1.3轧制 由于受重量的限制，钢锭锻后只能分成尺寸为80×100×110mm的 3块热轧坯，结合现场生产条件和热模拟实验的结果，确定工艺如下:在北京科技大学高效轧制中心二辊可逆式轧机上进行热轧实验，成品规格为16×160×350mm，分为两阶段进行轧制。加热温度为1250?，保温1小时;出炉温度约为1150?，在1000?以上进行再结晶控轧，目的是通过轧制过程中的反复再结晶充分细化奥氏体组织;轧后待温，在950?以下进行未再结晶控制轧制，目的是增加变形奥氏体中的形核位置，未再结晶区累积变形量应该超过60%，终轧温度为850?。设定的变形制度和终轧温度如表2-2所示。轧后分别采用如下的冷却制度:(1)空冷至室温;(2)水冷至室温;(3)水冷至530?，再空冷至室温。现场测定的温度值如表2-3所示。 表2-2 轧制实验设定各道次的变形温度和变形量 道次 温度(?) 厚度(mm) 压下量(mm) 压下率(%) 热轧坯 1250 80 1 1150 72 8 10.0 2 1100 63 9 12.5 再结晶 控轧 3 1050 53 10 16.1 4 1000 43 10 18.9 5 950 35 8 18.6 未再结晶 控轧 6 930 28 7 20.0 12 江苏大学本科毕业论文 7 900 22 6 21.4 8 880 17.5 4.5 20.4 9 850 16 1.5 8.6 控轧控冷工艺对组织和性能影响最大的三个要素:终轧温度、冷却速度和终冷温度。限于热轧坯数量，终轧温度设定为850?。终轧温度影响着相变前奥氏体晶粒的大小和晶内的位错密度，降低终轧温度能够细化晶粒，提高钢的强度和韧性。但终轧温度过低可能进入两相区轧制，组织不好控制;另外还会增加设备负荷，降低生产节奏。因此在热轧实验中选择了相对较高的终轧温度，后续实验中可以设定不同的终轧温度进行比较。 根据热模拟的实验结果:在冷却速度较低时,得到的组织有粒状贝氏体和准多边形铁素体，其中以粒状贝氏体为主，含有少数的准多边形铁素体。随着冷却速度的增加，钢中准多边形铁素体消失，粒状贝氏体的数量逐渐减少，得到了板条状贝氏体。现场可以采取空冷和层流冷却方式，因此热轧实验分别采取空冷，水冷和先空冷再水冷三种冷却方式。 为研究终冷温度对组织和性能的影响，采用了轧后水冷至室温和轧后水冷至530?、再空冷至室温两种方案。水冷速度为20?/s左右，从热模拟实验结果看，530?处于相变开始温度和结束温度的中间位置。 表2-3 热轧实验中各温度点的实测值 编号 开轧/? 待温/? 终轧(前)/? 终冷/? 1 1024 954 852 2 1099 949 847 3 1042 956 851 557 2.2 实验内容 2.2.1金相试样的制备及组织观察 金相试样的制备需经过以下几个过程: (1)试样的截取及镶嵌。将图2-1中得到的热模拟试样从中心部位切开，将试样利用酚 13 江苏大学本科毕业论文 醛树脂的熔融固化，完成样品的镶嵌。 (2)试样的磨光。先用粗砂纸磨平试样表面，然后用6-8级的金相砂纸磨光。磨光时施加的压力大小要合适，在更换下道细砂纸时不必减少压力，但是用力不宜过大，时间也不宜过长，以免试样表面氧化产生新的损伤层，给抛光带来困难。磨样时要注意:在第一张砂纸上试样始终朝一个方向磨，换下一道砂纸的时候将试样旋转90?同样只朝一个方向磨，直到将在上一道砂纸上磨出的磨痕磨光为止。每换一次砂纸都必须将试样清洗干净，不允许把上道工序的残留磨料带到下道工序去，经过这样磨光的试样，肉眼观察非常光滑，置于显微镜下观察，有只呈现出一个方向的细磨痕。 (3)试样的抛光及腐蚀。磨光后需要对试样抛光，抛光在抛光盘上进行，上面铺以抛光布，抛光时间不宜过长，以磨痕全部消除呈镜面即可停止，清洗干燥后备用。机械抛光后抛光表面在侵蚀前应该保持清洁，无水迹和油污，用4%的硝酸酒精溶液侵蚀。 试样制备好后在LEICA DM 2500M金相显微镜下观察其组织结构。 2.2.2透射电镜样的制备及观察 透射电镜的制备流程如下所示: 机械切割?手工磨光?冲样?预减薄?最终减薄 首先进行机械切割，我们采用线切割，将样品切成厚度为100,200微米的薄片，金 表面粗糙和严重的变形层，用不同粒度的金相砂纸对薄片逐步属试样机械切割后，为去掉 进行手工磨光。手工磨光时，将砂纸铺在玻璃或平板上，将试样磨面轻压在砂纸上，并且向前推行，进行磨光，直到试样磨面仅留有一个方向的均匀磨痕为止。在磨光的回程中最好将试样提起拉回，不与砂纸接触。然后将薄片用机械切片机冲样，冲出直径为3mm的小圆片。如果冲样前的试样磨得不是很好，此时可以在砂纸上再次手工研磨。然后再用凹坑减薄仪进行减薄。减薄后薄圆片样品出现一个碗状凹坑，在碗的底部样品最薄，其它部分较厚，保证样品不易碎。最后选用电解双喷法对试样进行最终减薄。然后在JEOL2010透射电镜下进行观察分析。 14 江苏大学本科毕业论文 第三章 低碳贝氏体钢CCT曲线和连续冷却转变组织特征 3.1 低碳贝氏体钢CCT曲线的分析讨论 表3-1为给出了实验钢在不同冷却速度下的相变温度和相变时间。 表3-1 实验钢不同冷速的相变点 序号 冷却速度(?相变开始温度相变开始时间相变结束温度相变结束时间 /S) (?) (S) (?) (S) 1 0.2 651 995 551 1495 2 0.5 646 408 543 614 3 1 640 210 531 319 4 3 635 71.6 510 113 5 5 630 44 500 70 6 10 611 23.9 480 37 7 15 601 16.6 475 25 8 20 590 13 461 19.45 9 25 579 10.84 455 15.8 10 30 572 9.3 451 13.3 11 50 568 5.64 420 8.6 由表3-1中得到的相变点及不同冷却速度的温度-时间关系，通过origin软件绘制得到 钢种的CCT曲线，如图3-1所示。 图3-1 钢种的CCT曲线 15 江苏大学本科毕业论文 从图中可以看出，低碳贝氏体钢在冷却速度0.2-50?/S的范围内均可得到贝氏体组织，并且贝氏体的转变开始温度和转变结束温度变化较少，实验钢的转变开始温度与转变结束温度的数据详见表3-1，从表中可以看出，在冷却速度为0.2?/S时的转变开始温度为651?，转变结束温度为551?，在冷却速度为50?/S时的转变开始温度为568?，转变结束温度为420?。实验钢转变开始温度的范围为568-651?，相差为83?，转变结束温度的范围为420-551?，相差131?。从所有冷却速度下相变温度数据可以看出，随着冷却速度的增大，相变开始温度和相变结束的温度逐渐降低。当冷却时，由于冷却速度往往偏离平衡条件，以及由于扩散和相变的过程需要一定的时间，因此在实际上都将发生所谓的滞后现象，冷却速度愈大，这种滞后现象愈严重，所以随着冷却速度的增加，贝氏体相变的过冷度就愈大，造成了贝氏体相变的滞后现象，贝氏体相变温度降低。 冷却速度从1?/S增大到10?/S时，相变开始温度从640?降到611?，相变结束温度从531?降到480?，分别变化了29?、51?;而冷却速度从30?/S增大到50?/S时，相变开始温度从572?降到568?，相变结束温度从451?降到420?，分别变化了4?、31?。结合表中所有数据，从中可以看出:在冷却速度较低时，相变温度随冷却速度变化比较明显，随着冷却速度的增加，相变温度随冷却速度的变化率减小。 3.2连续冷却转变组织特性的分析讨论 3.2.1冷却速度对低碳贝氏体钢组织类型的影响 图3-2为实验不同冷却速度下的显微组织照片。低碳贝氏体钢的过冷奥氏体转变是一个复杂的过程，在不同的冷却速度下可以得到的组织可能有先共析铁素体、粒状贝氏体、板条状贝氏体等。 16 江苏大学本科毕业论文 17 江苏大学本科毕业论文 图3-2 实验钢不同冷却速度下显微组织照片 从图中可以看出，在冷却速度较低时,得到的组织有粒状贝氏体和准多边形铁素体，其中以粒状贝氏体为主，含有少数的准多边形铁素体。准多边形铁素体是通过块状转变得到的，块状转变的特点是新相与母相化学成分相同，金属只要在过冷至新相、母相自由能相同的温度下，就能发生此类转变。对于所研究的含有强碳、氮化物形成元素Nb、Ti 等的低碳贝氏体钢而言，多边形铁素体难以形成，但主要是以界面控制长大方式生长的准多边形铁素体能够形成;在空冷条件下准多边形铁素体大部分从原奥氏体晶界形成，其边界 [34,35]呈现界面控制的不规则生长的锯齿状特征。粒状贝氏体的特征是在较粗大的铁素体基体上分布有许多孤立的马氏体/奥氏体(M/A) 组元;变形后空冷条件下，在奥氏体晶界和晶内的低碳部位形成铁素体核心并长大时,可将碳原子排向邻近的奥氏体中，形成富碳的奥氏体;随铁素体不断长大，富碳奥氏体范围逐渐缩小，这些富碳的奥氏体连续冷却至相 [36]变温度以下时转变为M/A 组元，呈岛状分布在铁素体基体上，形成粒状贝氏体组织。 随着冷却速度的增加，钢中准多边形铁素体消失，粒状贝氏体的数量逐渐减少，得到了板条状贝氏体，冷却速度为50?/S的显微组织基本上为板条贝氏体。不同方向的板条束将原奥氏体分割成不同区域。板条贝氏体由许多相同取向的板条排列成束,其组织非常 18 江苏大学本科毕业论文 细小。当变形奥氏体的冷却速度较高时,碳原子的扩散能力降低，随铁素体的形核和生长,铁素体条间未转变奥氏体中的碳原子不断增加,这些奥氏体连续冷却过程中形成条状分布 [37]的M/A 薄膜,因此冷却速度较快时,最后形成板条贝氏体组织。通过金相照片可以看出,板条束之间的边界较明显，同时还可以清楚看出原奥氏体晶界。 从以上分析可知，对于所研究的低碳贝氏体钢而言，轧后以不同冷却速度冷却至室温，随着冷却速度的增加，依次获得的微观组织主要有准多边形铁素体、粒状贝氏体、板条贝氏体等组织，冷却速度不同，各种组织所占的比例、形态和尺寸有很大不同。合理控制粒状贝氏体、板条贝氏体、准多边形铁素体的形态及含量,可以充分利用板条贝氏体强度高、铁素体塑性好等的各自优势，实现在高强度的前提下，塑性也得以提高。 3.2.2M/A组元的组织特点 图3-3和图3-4分别为所选钢以0.2?/S和10?/S的冷却速度冷却到室温的试样在透射电子显微镜下观察到的组织。 图3-3 钢冷速0.2?/S的透射电镜照片 图3-4 钢冷速为10?/S的透射电镜照片 19 江苏大学本科毕业论文 从金相组织照片可以看出，在较低冷却速度(冷却速度小于1?/S)时，M/A 组元呈深色珠状组织，尺寸较大，可以看出这些M/A 组元分布广泛。观察其透镜下照片发现，这些珠状组织有板条状亚结构，其组织有马氏体的特点。对于粒状贝氏体来说,铁素体基体为塑性相,M/A 组元为低塑性相，相关研究表明:粒状贝氏体参量，即M/A 组元的形状、数量、尺寸和分布,是性能的决定因素。即(1)随小岛总量增加,小岛弦长及岛间距减小,强度增加;(2)随小岛总量减小,小岛弦长减小,岛间距增加,韧性提高。所以，为了获得强、韧性的良好配合，对于以粒状贝氏体为主的钢材来说，在组织形态上要求M/A 组元弦长较小，总量适中为好。随着冷却速度的增加,M/A组元的体积分数有所增加,尺寸有所减小,这是因为冷速越大,贝氏体开始转变温度越低,相变的驱动力越大,奥氏体中碳原子的扩散能力差,因而奥氏体只能在短距离内富碳,造成M /A小岛尺寸减小,数量相应增加。当冷却速度为5?/S时，基本没有较大的深色珠状M/A组元。因此可通过对冷却速度的控制，避免粗大M/A 组元形成，以获得良好的强韧性能。另外,粒状贝氏体组织对贝氏体板条束也有分割的作用,这对细化贝氏体组织有利。 随着冷却速度的继续增加,当冷却速度达10 ?/ s时,显微组织以板条状贝氏体为主, /A组元呈断续薄膜状存在于板条贝氏体铁素体之间,将亚板条分割如图3-4所示，此时M 开，这些贝氏体铁素体板条厚度约200-800nm，其内部结构为较高密度的位错，不利于位错的运动，造成塑性较差，但可以提高钢的强度和韧性。板条贝氏体中硬质相(M/A组元) 的尺寸更小,分布更为均匀，这利于钢的韧化。但如果M/A组元数量过多，尺寸较大，特别当M/A 组元的长宽比大于4，并带有尖角形时，同样显示对韧性的有害作用。 3.3本章小结 本章得到以下结论: (1)所研究的低碳贝氏体钢在0.2-50?/S的冷却速度范围内可以得到贝氏体组织。随着冷却速度的提高，贝氏体开始转变的温度和转变结束的温度均降低。随着冷却速度的增加，相变温度随冷却速度的变化率减小。 (2)低冷却速度连续冷却得到的组织以粒状贝氏体为主，且有少量的准多边形铁素体组织;随着冷却速度的增加，所研究的低碳贝氏体钢由以粒状贝氏体为主的组织逐渐转变为以板条贝氏体为主的组织。 (3)粒状贝氏体中的M/A组元呈珠状团聚在一起;随着冷却速度的增加，M/A组元尺寸减小，数量相应的增加;冷却速度进一步增加，M/A组元呈断续薄膜状存在于板条贝 20 江苏大学本科毕业论文 氏体铁素体之间，将铁素体分割开。 (4)冷却实验钢在600?附近开始相变，钢种的结束温度约在450?，530?的终冷温度处于贝氏体相变的中间阶段。所以实验采用530?为冷却工艺的中间温度，方案为先水冷到530?，再空冷至室温。 21 江苏大学本科毕业论文 第四章 不同冷却工艺下的低碳贝氏体钢组织和性能 4.1力学性能 实验钢的拉伸性能和冲击性能在表4-1给出。实验钢采用轧后水冷到室温的工艺，屈服强度远远超过开发钢种的技术指标，为655,740MPa,，抗拉强度均在820MPa以上;采用水冷至530?、空冷至室温的工艺，比采用空冷至室温的工艺屈服强度略高，但两者都无法完全满足强度要求。采用水冷到室温的工艺，实验钢-20?的冲击功除个别试样外，都远远超过技术指标要求，平均冲击功在70J以上，可能由于钢板尺寸较小，取样位置的原因造成个别试样冲击性能偏差;但采用另外两种工艺，实验钢的韧性很差，-20?的冲击功远远低于指标要求，仅约为10J左右。结果表明:采用水冷到室温的工艺得到的钢板，明显具有更高的强度和良好的韧性。开发钢种以达到的各项技术指标如表4-2所示。 表4-1 实验钢的拉伸性能和冲击性能 -20?V型冲击功/J 编屈服抗拉工艺 延伸/% 号 /MPa /MPa 1 2 3 平均 18.6.8 10.2 8.58.5 580 720 5 8 1 空冷 18.590 730 5 17.42.14.6 156 71.735 835 0 8 1 2 水冷 15.655 820 5 17.11.6 8.28.4 5(52 590 745 0 2 3 水冷至530? 15.615 755 5 表4-2钢种拟达到的技术指标 状态 厚度(mm) σ/MPa σ/MPa δ/% A.-20?/J 冷弯 d=a sb5KV 22 江苏大学本科毕业论文 轧态 16,30 ?590 685,760 ?16 ?47 完好 4.2显微组织 由图4-1可以看出，空冷至室温的实验钢的轧态组织主要为准多边形铁素体、粒状贝氏体和较大块的M/ A 组元或退化珠光体。由于没有用透射电镜进行研究，还无法分别M/A组元和珠光体，将它们通称为岛状物，但从组织照片上可以看出区别:有的岛状物在黑边 μm以上，并且随内颜色较浅，而有些岛状物是深色组织。岛状物的尺寸较大，少数达到5着钢中Cr含量增加，粒状贝氏体和岛状物的数量增多，准多边形铁素体所占的百分数减少，晶粒尺寸减小。M/ A 组元是在较慢连续冷却条件下, 由粒状贝氏体团之间残留的较大块奥氏体发展而来。 图4-1 空冷到室温的实验钢的金相组织照片 水冷至室温的实验钢的轧态组织主要为板条贝氏体，如图4-2所示。原奥氏体晶粒尺寸约为20μm，有的晶粒内部有几个方向的板条束，而有的板条束贯穿原奥氏体晶界。由于贝氏体相变已经完成，组织为很细的板条贝氏体和铁素体, 此时M/ A 组元呈断续薄膜状存在于板条贝氏体铁素体之间。板条束之间的边界清晰,同一束内板条也较明显。在组织照片中没有发现尺寸较大的岛状物。 23 江苏大学本科毕业论文 图4-2 水冷到室温的实验钢的金相组织照片 水冷到530?、再空冷至室温的组织同直接空冷到室温的轧态组织类似，如图4-3所示。其组织也是由准多边形铁素体、粒状贝氏体和较大块的岛状物组成，只是出现了板条贝氏体的形貌特征。 图4-3 水冷到530?、空冷到室温的金相组织照片 4.3分析和讨论 对比热模拟实验在不同冷速下得到的组织，可以发现:轧后空冷至室温的组织同热模拟实验中0.5?/s连续冷却得到的组织类似，都是准多边形铁素体和粒状贝氏体组织，并分布着尺寸较大的岛状物。在生产现场，如果轧后采用空冷的方式就会得到此种组织，这种组织的力学性能并不好，强度较低而韧性极差。韧性是贝氏体钢能否应用于工程的关键, 24 江苏大学本科毕业论文 粒状贝氏体的韧性好坏与其成分和组织状态密切相关, 即与粒状贝氏体中小岛的形貌、尺寸、数量等有关。当小岛总量相近时, 随小岛平均尺寸的减少, 韧性增加;当小岛尺寸相近时, 韧性随小岛总量的减少而增加。另外，较大尺寸的岛状物对冲击韧性有明显的负面影响，使得低温冲击性能下降。 热轧实验中用红外线测温仪测量了水冷条件下钢板的降温速度，832??88?用37s，824??86?用了38s，冷速分别为20.1和19.4?/s,因此可以确定实验室轧钢的水冷速度约为20?/s。对比发现:轧后水冷至室温的组织同热模拟实验中20?/s连续冷却得到的组织类似，都是以板条贝氏体为主的组织。这种组织具有很高的强度，并且韧性良好。但是由于高位错密度的板条结构不利于位错的运动，所以塑性较差，延伸率不高。但是延伸率基本满足技术指标的要求，如果采取相应的工艺措施稍微提高钢板的塑性，这将是一种理想的组织。 根据前面的分析，轧后水冷至530?、再空冷至室温的工艺相当于采用20?/s的冷速冷却到530?，再用0.5?/s的冷速冷却到室温。以0.5?/s和20?/s冷却的实验钢的相变开始和结束温度在表4-3中给出。轧后以20?/s的冷速冷却实验钢在600?附近开始相变，钢 ?，530的终冷温度处于贝氏体相变的中间阶段。相变没有完成，随种的结束温度约在450 后空冷到室温，相变继续进行，形成图4-3所示的组织，因为同空冷到室温的组织形态相似，因此具有相似的力学性能。结果表明，这种工艺在生产中也是不可取的。 表4-3 不同冷速下实验钢的相变温度 冷速/?/s 开始/? 结束/? 0.5 648 512 20 597 462 4.4本章小结 (1)实验钢空冷至室温的组织主要为准多边形铁素体、粒状贝氏体和较大块的岛状物;实验钢水冷至室温的组织主要为板条贝氏体;实验钢水冷到530?、再空冷至室温的组织同空冷到室温的轧态组织类似，只是出现了板条贝氏体的形貌特征。 (2)采用空冷至室温和两阶段冷却得到钢板的强度达不到要求，而韧性更差，-20?的冲击功仅约为10J;轧后水冷至室温的钢板屈服强度为655,740MPa,，抗拉强度超过 25 江苏大学本科毕业论文 820MPa，冲击韧性也远远超过技术指标要求，-20?的冲击功高于70J。 (3)准多边形铁素体和粒状贝氏体的混合组织强度较低，粒状贝氏体的韧性好坏与其成分和组织状态密切相关，而较大尺寸的岛状物严重损害了钢的韧性，在生产中应避免这种组织的产生。水冷得到的板条贝氏体组织具有很高的强度，并且韧性良好，但是塑性处于指标要求的下限。 26 江苏大学本科毕业论文 第五章 结论 在试验过程中，发现不同冷却速度，不同冷却机制条件下试样的相变特点和微观结构的变化存在相互联系，将前述试验联系在一起整体考虑能够总结出一些规律，对低碳贝氏体钢中温转变过程中的影响因素作一些总结。 由前面几章的试验结果，得出一些结论，如下: (1)所研究的低碳贝氏体钢在0.2-50?/S的冷却速度范围内可以得到贝氏体组织。低冷却速度连续冷却得到的组织以粒状贝氏体为主，且有少量的准多边形铁素体组织;随着冷却速度的提高，贝氏体开始转变的温度和转变结束的温度均降低，相变温度随冷却速度的变化率减小，所研究的低碳贝氏体钢由以粒状贝氏体为主的组织逐渐转变为以板条贝氏体为主的组织。 (2)实验钢空冷至室温的组织主要为准多边形铁素体、粒状贝氏体和较大块的岛状物;实验钢水冷至室温的组织主要为板条贝氏体;实验钢水冷到530?、再空冷至室温的组织同空冷到室温的轧态组织类似，只是出现了板条贝氏体的形貌特征。采用空冷至室温和两阶段冷却得到钢板的强度达不到要求，而韧性更差，-20?的冲击功仅约为10J;轧后水冷至室温的钢板屈服强度为655,740MPa,，抗拉强度超过820MPa，冲击韧性也远远超过技术指标要求，-20?的冲击功高于70J。 (3)准多边形铁素体和粒状贝氏体的混合组织强度较低，粒状贝氏体的韧性好坏与其成分和组织状态密切相关，而较大尺寸的岛状物严重损害了钢的韧性，在生产中应避免这种组织的产生。水冷得到的板条贝氏体组织具有很高的强度，并且韧性良好。 通过对本文试验的研究，掌握了低碳贝氏体钢在不同冷速连续冷却条件下的连续冷却转变规律和组织演化规律，及轧后冷却方式对低碳贝氏体钢组织和性能的影响。根据所得结论可知，实验采取的三种冷却工艺，只有采用水冷的实验钢达到了技术指标。可是在生产实践中，完全的水冷是不实际的。因此我们得继续试验，根据不同冷速与不同冷却机制相互的联系，采用合适中间温度，生产出性能满足要求的低碳贝氏体钢。 27 参考文献 [1] YANG J R, HUANG C Y, WANG S C. The development of ultra-low-carbon bainitic steels [J] .Materials & Design,1992 (6) : 335-340. [2] L is A K, L is J , JeziorskiL. Advanced ultra-low carbon bainitic steels with high toughness [J].Journal of Materials Processing Technology, 1997 (64) : 255266. [3] 翁宇庆.超细晶钢—钢的组织细化理论与控制技术[M].北京:冶金工业出版社, 2003. [4] WANG SHYI-CH IN, KAO PO-WE. The effect of alloying elements on the structure and mechanical properties of ultra low carbon bainitic steels[ J ]1 Journal of Materials Science,1993 (28) : 5169-5175. [5] 康沫狂,杨思品,关敦惠. 钢中贝氏体[M].上海:上海科学技术出版社,1990.154 [6] 章守华，吴承建(钢铁材料学EM](北京冶金工业出版社，1992(68 [7] 赵振业(合金钢设计[M](北京:国防工业出版社，2004(106 [8] IrvineK J，PickeringFB J IronSteel Inst，1975，(186):54 [9] Nakasuki H，Matsuda H，Tamahiro H(Development of con—trolled rolled ultra low carbon bainitic steel for large diameterlinpipe[A](Processings alloys for the eighties[c](Greenwich Climax Molybdenum Company，1980(213 [10] Caballelo F G，Bhadeshia H K D H，Mawella K J A Designof novel high strenghth bainitic steels:part 1 rJ](Mater SciTechn，2001，17:512 [11] Caballelo F G，Bhadeshia H K D H，Mawella K [J]Designof novel high strenghth bainitic steels:part [2](Mater SciTechn，2001，17:517 [12] Aglan H A，Liu Z Y，Hassan M F，et a1(Mechanical and fracture behavior of bainitic rail steel EJ](J Mater Proc Techn，2004，151:268 [13] Garcia C I，Lis A K，Pytel S M(Ultra low carbon bainiticplate steels:processing， microstructure and properties[J](ISS Trans，1992，13:103 [14] Rodrigues P C M，Pereloma E V，Santos D B Mechanical properities of an HSLA 江苏大学本科毕业论文 bainitic steel subjected to controlled rolling with accelerated cooling[J](Mater Sci Eng，2000，283 A:136 [15]Cota A B，Barbosa R，Santos D B(Simulation of the con—trolled rolling and acceleratedcooling of a bainitic steel using torsion testing[J](J Mater Proc Techn，2000，100:156 [16]Andrzej K(Mechanical properties and mierostructure ofULCB steels affected by thermomechanical rolling，quench—ing and tempering[J](J Mater Proc Techn，2000，106:212 [17]方鸿生，郑燕康，黄进峰(我国贝氏体钢的前景口](金属热处理，1998,(7):11 [18]康沫狂，贾虎生，杨延清(新型系列准贝氏体钢[J](金属热处理，1995，(12);3 [18]李风照，敖青，姜江(超细晶组织空冷贝氏体钢EJ](金属热处理，1998，(1):5 [19]周桂峰，文慕冰，李平和(超低碳贝氏体钢ULCB600组织结构及性能的研究[J](钢铁，2000，35(12):47 [20]张志宏，陈良高强度低碳贝氏体钢DB590的试制口](武钢技术，2000，38(2):14 [21]胡淑娥，唐立东，冯勇(贝氏体型非调质钢的试制EJ](钢铁钒钛，2003，24(1):66 [23]姚连登(控轧工艺对Mn-Mo—Nb—B系超低碳贝氏体钢力学性能的[J],钢铁研究，2004，(4):43 [24]赵志平，康永林，丛津功(HQ590DB超低碳贝氏体钢中厚板的研制[J](特殊钢，2005，26(1):52 [25]姚连登，王文亮，王培玉(以TPCP工艺开发690MPa级超低碳贝氏体钢[J](钢铁研究，2003，(2):22 [26] 赵连城.金属热处理原理[M] .哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1987.137 [27] 周荣,胡国忠. 控制冷却获得贝氏体/ 马氏体球磨铸铁[J ] .铸造,1996 , (9) :14 [28] 蔡擎,杨哿,高绍君,等. 控铸控冷新工艺及其在抗磨钢件生产中的应用研究[J] . 机械,2002 ,29 :208 [29] 程巨强. 正火温度对ZG30CrMnSiNiMo 组织和力学性能的影响[J] . 热加工工22 艺,2005 , (6) :61 29 江苏大学本科毕业论文 [30] 苑少强,王振良. 贝氏体组织的弛豫细化[J ] . 金属热处理,2005 ,30 (4) :42 [31] Rain forth W M ,Black M P , Higginson R L ,etal. Precipitation of NbC in a model austenitic steel [J] . Acta Mater ,2002 ,50 :735 [32] 舒信福,张晓龙,常殿存,等. 准铸态贝氏体低碳球铁的组织分析[J ] . 金属热处 理,2005 ,30 (10) :88 [33] Gupta C ,Dey G K,Chakravartty J K,et al. A study of bainite transformation in a new CrMoV steel under continuous cooling conditions [J ] . Scr Mater ,2005 ,53 (9) :559 [34] 赵运棠,尚成嘉,贺信莱等. 低碳MoCuNbB 系微合金钢的中温转变组织类型[J] . 222 金属学报，2006，42(1):54-58. [35] 李维娟，李胜利. 加热温度对低碳微合金相变的影响[J] .热加工工艺，2005，(7): 8-10. [36] 方鸿生，王家军，杨志刚等. 贝氏体相变[M].北京:科学出版社，1999. [37] 解振林.低碳贝氏体钢的强韧化及研究的最新进展[J].金属材料研究,2002,28 (1):15-19. 30 江苏大学本科毕业论文 致谢 本论文是在尊敬的霍向东副教授的悉心指导下完成的。两年来，霍老师渊博的学识、活跃的学术思想、敏锐的学术洞察力、严谨的治学态度、乐观向上的精神,为我树立了工作、学习和做人的榜样，使我受益匪浅，并将在今后的学习、工作道路上继续深深影响和激励着我。霍老师在平日的工作、学习和生活上给予我无微不至的关怀与照顾，为我营造了良好的学术氛围和宽松的学习环境，在此谨向霍老师致以崇高的敬意和衷心的感谢～ 同时也要感谢吴晓东老师、李忠华老师、王宏明老师、李桂荣老师、黄海芳老师近年来对我的关心和培养，祝各位老师工作顺利，家庭幸福。 在本论文实验工作中，得到了江苏大学多位老师的帮助，在此要忠心的感谢理化中心的陈康敏老师在我实验样品制备阶段给予的巨大支持和帮助～ 感谢我勤劳善良的父亲和母亲,他们多年来为我付出了所能付出的一切。没有他们的支持和鼓励，就没有我的今天。他们朴质无华而高尚的人格，激励着我，也将永远激励我在人生道路上不断前进、奋发向上～ 再次感谢近年来一直关心和帮助我的所有老师、同学和朋友们。 最后，衷心感谢参加论文评阅和答辩的各位老师，你们的指导和建议对我今后的科研和工作将大有裨益。 31