控軋控冷超低碳貝氏體鋼的顯微組織分析

0組織本身的復雜性低碳貝氏體鋼是一種新型的高強度和高耐寒鋼，其組織形狀和特點與傳統的貝氏體鋼有很大不同。如何判定鋼中組織,進而根據組織特征的研究為合金設計及控軋控冷工藝的改進指出方向,對于超低碳貝氏體鋼來說都是需要解決的問題,加之國內外有關學者對超低碳貝氏體鋼有不同的理解,討論組織時采用不同的術語,引起了概念上的一些混亂。況且超低碳貝氏體鋼組織判定的困難或不同見解,還起源于該組織本身的復雜性,這是由于:(1)在未再結晶區控制軋制和加速冷卻形成了細小的晶粒和高的位錯密度,同時變形也引起了組織的變化,使組織難以分辨;(2)很低的碳含量使貝氏體轉變溫度上升,在相變同時還伴隨著明顯的回復過程,所得的組織與經典的貝氏體有很大的差異,使超低碳貝氏體概念有很多不確定性;(3)連續冷卻形成的組織是漸變的,在各種典型組織之間有很多過渡形態。因此不同的研究人員對同一組織往往得出不同的結論,即使同一個研究小組,也會因鋼種或時間不同有不同的判定。為了明確闡述超低碳貝氏體鋼組織特征和其形成機理的特點,作者對新開發的兩階段軋制工藝生產的高強韌耐沿海大氣腐蝕鋼的縱向、橫向、軋件心部、軋件表面組織進行了分析對比研究,總結了超低碳貝氏體鋼軋件不同方向上的顯微組織特點,反映超低碳貝氏體鋼顯微組織復雜性、多變性,為研制開發以貝氏體加少量鐵素體為基體組織的超細復合組織鋼提供試驗研究依據。1化學成分的添加試驗用鋼為屈服強度在600MPa以上級別的超低碳貝氏體鋼,在真空感應電爐中冶煉,共計10爐鋼;鋼的成分為在C-Mn-Si鋼的基礎上添加改善耐蝕性或提高強韌性的合金元素。以1#鋼的成分為基準,添加了銅、鉻、鎳、鈮、鉬、鋁、硼、磷等元素,2#～10#鋼合金元素的添加差別較小,其中1#～3#鋼化學成分見表1。將鋼錠熱鍛成厚度為80mm的熱軋坯,鍛壓加熱溫度為1200℃。軋制試驗采用兩階段控軋控冷工藝,第一階段為五道次軋制,開軋溫度1150℃,終軋溫度980～1000℃,總變形量70%;第一階段軋制完成后,空冷至965～950℃,進行第二階段六道次軋制,累積變形量75%,終軋溫度800～850℃,終軋完了空冷至780·℃,再以15～20℃/s的冷速水冷至室溫;成品板厚度6mm。在6mm的鋼板上切割出金相試樣,經磨制、機械拋光后用3%的硝酸酒精溶液浸蝕,用Neophot21型光學顯微鏡和CambrigeS-360型掃描電鏡對鋼板的縱向、橫向、心部、表面試樣進行顯微組織觀察與分析。2試驗結果與分析2.1貝氏體在主要組織的鋼中的分布由圖1可見,原奧氏體晶粒沿軋向被軋成扁平狀,晶界清晰可見,原奧氏體晶粒寬度在6～13μm之間;鋼板的軋態組織主要為粒狀貝氏體、板條貝氏體及部分多邊形鐵素體;單從光學顯微組織上很難區分粒狀貝氏體和板條貝氏體,通過SEM可以清楚發現,除5#鋼以板條貝氏體為主外,其余幾種鋼均以粒狀貝氏體為主,在貝氏體基體上分布著少量的多邊形鐵素體;在以板條貝氏體為主的5#鋼中發現,在一個原始的奧氏體晶粒內可見到明顯的分區現象,各個分區邊界清楚,在一個貝氏體區內,大量板條方向一致,互相平行,稱之為一個貝氏體束,一個貝氏體板條寬度在0.7～1.2μm,長度在6～9μm,在原奧氏體晶粒內分布著一些體積分數(下同)約20%的多邊形鐵素體;以粒狀貝氏體占主要組織的鋼中,在奧氏體晶粒內沿軋向分布著許多條帶狀的貝氏體組織,其分布沒有方向性,邊界不清晰,在光學顯微組織中容易與板條貝氏體邊界混淆,在粒狀貝氏體基體上分布著約占5%～10%的多邊形鐵素體和很少量的板條貝氏體。無論是以粒狀貝氏體還是以板條貝氏體為主要組織的鋼中,都有一定數量的塊狀多邊形鐵素體沿晶內分布,在光學顯微組織中呈亮白色,邊界清晰,與周圍的貝氏體有一定的襯度差,凹凸不平,呈高度的不規則,多邊形鐵素體基體上偶然也可見馬氏體/奧氏體島。鋼中都有一定數量的馬氏體/奧氏體小島,其中2#、3#鋼小島的數量相對于其它鋼來說較多,馬氏體/奧氏體小島以粒狀或條狀分布于晶內或晶界上,總體上分布較均勻(圖中A為板條貝氏體;B為板條亞晶界;C為原始奧氏體晶界;D為多邊形鐵素體;E為粒狀貝氏體;F為馬氏體/奧氏體島)。2.2晶粒形態及尺寸由圖2可見,橫向組織的方向性沒有縱向明顯,組織由貝氏體和多邊形鐵素體組成,數量不多的馬氏體/奧氏體小島分布于貝氏體基體上。5#鋼中原奧氏體晶界較清晰,奧氏體長寬比在2～3之間,沿橫向呈長條狀分布,原奧氏體晶粒內有5%～10%左右的不規則、呈白色的多邊形鐵素體,也呈長條狀分布;由于試驗條件有限,軋件變形不均造成奧氏體晶粒大小差別較大,小的晶粒尺寸有6～15μm,大的有20～35μm,從5#鋼橫向SEM形貌中可以看出馬氏體/奧氏體小島數量較多,沿貝氏體基體分布較均勻。而其余鋼粒狀貝氏體的特點較明顯,粒狀貝氏體是介于多邊形鐵素體和板條貝氏體范圍內形成的,也屬于中溫轉變產物,只是形成溫度稍高;粒狀貝氏體中小島接近于粒狀或等軸形狀,分布比較混亂,沒有規律和方向性,無論是光學還是SEM組織中,原始奧氏體晶界均模糊不清,在粒狀貝氏體基體上分布著少量的多邊形鐵素體,在SEM組織中馬氏體/奧氏體小島數量不多,分布均勻彌散。2.3小樣本中細胞的組織變化由圖3可見,除5#鋼主要以板條貝氏體外,其余鋼表面與心部組織主要由粒狀貝氏體和多邊形鐵素體組成,但表面組織中,粒狀貝氏體明顯比心部要細小彌散,粒狀貝氏體基體上分布很少量的多邊形鐵素體,由于基體是混亂粒狀貝氏體,因而原奧氏體晶界不清晰;心部組織中多邊形鐵素體相對較多,原奧氏體晶界較清晰,這主要是由于表面與心部存在溫差,心部溫度高,在心部先共析鐵素體數量較多,而軋坯表面溫度低,直接發生了粒狀貝氏體轉變。根據以上對試驗鋼軋件縱向、橫向、表面、心部組織的觀察,可知超低碳貝氏體鋼的形態主要可分為粒狀貝氏休和板條貝氏體,在光學顯微鏡下具有以下特點:隱約可見的板條輪廓;基體上有富碳的島狀組織,其排列有一定規律;有時具有極不規則非等軸的任意取向的晶粒外形。粒狀貝氏體和板條貝氏體的區別在于島的形狀,前者的小島呈粒狀,分布于板條間,而后者的小島有明顯拉長的趨勢,以條狀分布于板條間。此外,典型的板條貝氏體很長,板條的特征很明顯,而粒狀貝氏體盡管轉變時從奧氏體析出的鐵素體也是板條狀,但由于形成溫度高,位錯結構發生了明顯的回復,使原始的板條界有消失的跡象,所以有時光學組織下的板條界不太清晰。當然,位錯結構的回復在板條貝氏體中也存在,只是程度較為輕微。看來,粒狀貝氏體和板條貝氏體只有在兩個極端的溫度下才有明顯的差異,而處于中間過渡溫度時很難截然分開,因此從產品檢驗的目的出發,不必區分兩類貝氏體。如試樣中某種貝氏體特別明顯,則可注明,一般情況下可統稱為貝氏體。掃描電鏡下由于放大倍數高,貝氏體內部的板條及小島特征更為清晰,貝氏體和鐵素體的差別也比光學顯微鏡下明顯。由于超低碳貝氏體鋼連續冷卻時所得的是多相混合組織,包含了從多邊形鐵素體到板條貝氏體的各種組織,判定時為了全面反映組織,往往同時標上了所有可能出現的組織,如多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、板條貝氏體、珠光體、馬氏體/奧氏體等等,這樣的判定沒有分清主次,也難以反映材料真實的組織特征;實際上,各類組織是連續形成的,難以截然分開,建議:(1)根據奧氏體連續冷卻轉變曲線的特征,把組織分成鐵素體和貝氏體兩類;(2)要分清主次,在組織定量分析有困難時,應說明何者是主要的,如有可能給出大致的估計量;(3)應注明富碳奧氏體轉變產物的性質,是大塊的高溫共析轉變產物珠光體,還是島狀馬氏體/奧氏體或退化珠光休、貝氏體。除組織類型外,晶粒大小、均勻度(或混晶特征)、島狀物的特征、帶狀組織等對材料性能有重要影響,有些情況下,這些組織要素對性能的影響可能超過了組織類型的作用,所以產品檢驗時要全面關注這些組織要素。3精細結構和組織分布(1)超低碳貝氏體鋼連續冷卻時的組織是多相混合組織,包含多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、板條貝氏體、馬氏體/奧氏體島等,掃描電鏡下粒狀貝氏體和