【正文】 3 研究內(nèi)容與方案 研究內(nèi)容 本論文主要研究低碳貝氏體鋼的組織、夾雜物成分及微觀形貌，以及低碳貝氏體鋼的性能與成分，組織，工藝之間的關(guān)系，由于過冷奧氏體在等溫轉(zhuǎn)變時，會形成貝氏體，它是含有過飽和碳的鐵素體和碳化物的機械混合物，它又可細分為上貝氏體和下貝氏體，而貝氏體組織有羽毛的、針狀的和粒狀的，低碳貝氏體鋼的組織形態(tài)與夾雜形貌對其性能有重要的影響，本論文主要研究分析貝氏體鋼的成分、工藝、組織與性能的關(guān)系。 圖 Q550D 中的非金屬夾雜物 圖 SM570H中的非金屬夾雜物 金相組織分析 1） Q550D 的橫向組織分析：如圖 、 Q550D 橫向邊部、橫向中間在400 倍下的顯微組織。圖 為 Q550D 軋向的 SEM 圖。圖 SM570H 在軋向上的電子顯微鏡組織圖。相比 Q550D 中的夾雜物， SM570H 中的夾雜物成分中 Al的含量明高，而 S、 Mn的含量較少，如圖 ，其成分比如下表 32。（見附表31）粒狀貝氏體中沒有碳化物。在實際生產(chǎn)中，控制材料中的微量元素的含量和控制軋制工藝都能夠 改善鋼的性能。 結(jié) 論： (1) 通過觀察 Q550D 和 SM570H 的顯微金相組織，得出 Q550D 為羽毛狀上貝氏體組織，而 SM570H為粒狀貝氏體組織。在實際生產(chǎn) 中應(yīng)該盡量控制這些夾雜物，使得夾雜物呈顆粒狀且均勻分布，如果夾雜物聚集在晶界處，會造成材料局部力學性能脆弱，從而影響材料的使用性能。經(jīng)能譜分析該夾雜物中含有 S、 Ca、 Mn、 O、 Al 等元素，如圖 所示。這些小島是由馬氏體和殘余奧氏體組成的，所以稱為馬奧 島（ M/A島）這些小島是由塊狀的殘余奧氏體發(fā)展而來的。到 18176。 （ 2）光學鏡下觀察試樣組織 把經(jīng)過腐蝕的試樣放在 400倍的光學顯微鏡下觀察組織，分別在橫向和軋向上觀察組織的特征，然后拍照。 加熱溫度對控軋效果的影響 奧氏體晶粒尺寸的大小直接影響到軋后的晶粒尺寸。 軋后控冷對組織的影響 軋后加速冷卻是形變熱處理的進一步發(fā)展、完善的形式。在這一階段內(nèi)，通過再結(jié)晶獲得細小的奧氏體晶粒，最終導致鐵素體晶粒的細化。另外 ，微量 Nb、 Ti的綜合加入，可大大加速高溫變形后應(yīng)變誘導析出，它們明顯穩(wěn)定變形奧氏體中的位錯結(jié)構(gòu)，并阻止新相繼續(xù)長大。 銅還可以改善成型性和機加工性。因此銅在國際上被成功的應(yīng)用于有抗腐蝕性能要求的結(jié)構(gòu)鋼 [33]。 B 在低碳貝氏體鋼中的作用 為了獲得高的強度，加入成本較低的 B 元素來增加鋼的淬硬性。 B 的加入是為了獲得高的強度，為了保證 B元素的作用須添加 Ti來固定雜質(zhì) 元素 O、 N，避免 B的燒損，并形成 TiN、 TiO，對于細化晶粒十分有效。當這些亞結(jié)構(gòu)的位錯墻呈松散的纏結(jié)形貌時，稱為 ―胞狀結(jié)構(gòu) ‖，當位錯墻變窄且輪廓分明時，則稱亞晶。因此置換式固溶強化成本很高。固溶強化的機制是：合金組元溶入基體金屬的晶格形成固溶體后，使晶格發(fā)生畸變。 細化晶粒的方法一般包括細化相變前的奧氏體晶粒、增加奧氏體內(nèi)部形核質(zhì)點和快速冷卻等方法。晶粒越細小，則晶界越多，阻礙位移滑移的作用也越大，最 終使金屬材料的屈服強度升高。提高鋼的強度首先要提高屈服強度，金屬的屈服過程是一種塑性變形過程，它是在結(jié)晶學的優(yōu)先平面上產(chǎn)生一種間斷的滑移步驟，從而形成了位錯運動。 Mehl[25]曾認為，對大多數(shù)碳鋼及低合金鋼，上、下貝氏體的分界溫度約為 350℃ ，且?guī)缀醪浑S成分變化，這等于說在 350℃ 左右，貝氏體組織形態(tài)將發(fā)生突然改變。 (3)盡管下貝氏體亦優(yōu)先在奧氏體晶界上形成，但大量的下貝氏體還是形成于晶粒內(nèi)，并在局部區(qū)域內(nèi)密集堆積。如圖 。鐵素體呈長條狀，并且往往是在奧氏體晶界首先形核并向晶內(nèi)平行長大，由于靠近形核部位 (原奧氏體晶界 )處，尺寸較大，前端尺寸較小，導致上貝氏體組織總體呈羽毛狀；因此上貝氏體的二維形態(tài)常被描述為羽毛狀。 粒狀貝氏體 θ與 α長軸呈 55176。在轉(zhuǎn)變溫度較高時，相變產(chǎn)物在光學顯微鏡下呈羽毛狀的上貝氏體，轉(zhuǎn)變溫度較低時，相變產(chǎn)物呈針狀的下貝氏體。 目前被普遍認可的貝氏體定義 [24]是指過冷奧氏體在中溫形成的片狀或板條狀產(chǎn)物。低碳貝氏體鋼中厚板通過控軋控冷不僅可以充分細化組織，大幅度提高鋼的綜合性能，而且控軋控冷貝氏體鋼勿需熱處理工序，節(jié)能又節(jié)省合金資源，因此生產(chǎn)成本明顯降低，從而具有廣闊的應(yīng)用前景。邯鋼新近引進了大板坯連鑄機與新中板軋機等新設(shè)備，以調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高工藝設(shè)備水平，為提高邯鋼產(chǎn)品的市場競爭力提供了設(shè)備保證。低碳貝氏體鋼還可應(yīng)用于制作塑料模具、模塊、貝氏體鋼彈簧、建筑用高強度鋼筋、鐵路道岔、油田用抽油桿和作為工程結(jié)構(gòu)及標準件用鋼等。在生產(chǎn)中可將熱加工成型工序與熱淬火工序合并，空冷自硬，省去了淬火工序，不僅節(jié)約了能源，簡化了工藝，提高了生產(chǎn)效率，而且可以避免由于淬火引 起的變形、開裂及氧化、脫碳等熱處理缺陷。 實踐證明，采用合金化與控軋控冷工藝技術(shù)是生產(chǎn)強度高、韌性好、可焊性優(yōu)良且成本低的貝氏體鋼板的最好方法。 我國低碳貝氏體鋼的控軋控冷研究和應(yīng)用相對較晚，在 20 世紀 80 年代初才開始這方面的工作。寶鋼生產(chǎn)了 620MPa， 690MPa， 780MPa等三個級別的鋼板 [12]。該鋼種以 80%累計變形量進行精軋并隨后空冷，其屈服強度可高達700MPa，且 FATT 可提高到 50℃ 。研究發(fā)現(xiàn)， 貝氏體鋼表現(xiàn)出良好的斷裂韌性，強度可以達到 1375～ 1440Mpa，其斷裂韌性稍低，但仍然要高于高強度馬氏體鋼 [4]。由于低碳貝氏體鋼具有高強度，良好的韌性，使得低碳貝氏體鋼在造船業(yè)和石油天然氣輸送管線中得到較快發(fā)展。 我國海洋權(quán)利不斷遭到周邊國家的騷擾，特別是南海海域的領(lǐng)海糾紛問題，為了更好的保護我國的海洋主權(quán)，建造大型航空母艦是迫在眉睫的，而建造大型航母除了需要強大的經(jīng)濟實力外，對材料的性能也有極高的要求，而低碳貝氏體鋼是建造航母最好的材料選擇，我國的邯鋼，寶鋼，首鋼在研制生產(chǎn)寬厚板方面已經(jīng)具備了制造大型船體的能力。鋼中其它的一些微量元素如鈦、鋁等，這些元素的第二相彌散分布在鐵基體中，形成彌散強化。 通過在顯微鏡下觀察到 Q550D 組織為板條狀的 上 貝氏體組織，在大致平行的鐵素體板條中鑲嵌著很多細小的不易辨認的滲碳體?，F(xiàn)代材料的研究有兩個大的趨勢： ① 不斷開發(fā)新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備 ，以研制各種具有特殊性能要求或優(yōu)異性能的新型材料； ② 對傳統(tǒng)材料 (如鋼鐵材料 )采用先進的工藝，以期大幅度提高其使用性能，有效合理地利用資源。Q550D 是鋼的屈服強度大約在 550MPa 左右， SM570H 是其鋼的抗拉強度大約在北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 570MPa 左右。 日本東京鋼公司研制了低碳含 V 貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼 [2]，該鋼鍛后空冷得到以貝氏體為主及少量鐵素體和珠光體的顯微組織，其抗拉強度達到 800～ 1000MPa，室溫沖擊韌性為 50J/cm2，而 40℃ 沖擊韌性仍高達 40J/cm2。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了超低碳的控軋控冷貝氏體鋼（ ULCB 鋼，含碳量小于%）。目前世界上許多國家都利用（超）低碳的控軋控冷貝氏體鋼生產(chǎn)高寒地區(qū)使用的輸油、輸氣管道用鋼板、低碳含鈮的低合金高強度鋼板、高韌性鋼板，以及造船板、橋梁鋼板、壓力容器鋼板及工程機械用鋼板 等。與一般結(jié)構(gòu)鋼相比，新型準貝氏體鋼具體更好的強韌性 配合，其力學性能超過了典型貝氏體鋼、調(diào)質(zhì)鋼和超高強度鋼。鞍鋼 [18]采用控軋控冷工藝試制了 HQ590DB 低碳貝氏體鋼板。制造大型貯罐及運輸船都采用非調(diào)質(zhì)處理鋼和微合金化中厚板鋼。 耐磨鋼球是廣泛用于礦山、冶金、電力、建材和化工等行業(yè)的重要易耗件，國內(nèi)年耗量高達 100 萬噸，國際市場容量在 500 萬噸。 目前，邯鋼中板生產(chǎn)線已能大量生產(chǎn)普碳鋼、 Q345，也能生產(chǎn)少量的船板、容器板、鍋爐板等系列產(chǎn)品，并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟指標，但生產(chǎn)低合金高強度鋼板的品種較為單一。 北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 在研發(fā)低碳貝氏體鋼方面，應(yīng)開展以下兩方面的研究工作 : (1)低碳貝氏體鋼產(chǎn)品品種的開發(fā)除對現(xiàn)有低碳貝氏體鋼的生產(chǎn)工藝進行完善與優(yōu)化外，還應(yīng)不 斷開發(fā)新的低碳貝氏體鋼品種，擴大貝氏體鋼產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。 觀察上述針狀組織時發(fā)現(xiàn) [22]，針狀組織在侵蝕劑中的腐蝕速度顯著高于馬氏體，但比屈尸體 (細珠光體 )低，因此當時曾被稱為馬氏體 屈尸體（簡稱 MT 組織），即后來被稱為貝氏體的組織。 需要指出的是粒狀貝氏體在 SEM 下觀察發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部鐵素體也呈板條狀。60 夾角 176。 上貝氏體 上貝氏體是貝氏體的基本形態(tài)之一。它優(yōu)先在原奧氏體晶界形核，領(lǐng)先相是鐵素體，然后向一側(cè)奧氏體長大。夾角，常為單變體亦發(fā)現(xiàn)雙變體的體亦發(fā)現(xiàn)雙變體的。但在晶體學細節(jié)上其間有很多差別，就如亞結(jié)構(gòu)類型和碳化物分布方式 。粒狀貝氏體是由上貝氏體型鐵素體 +島狀組織組成，典型金相形態(tài)為不連續(xù)長條狀小島相互趨于平行分布于鐵素體基體中，小島優(yōu)先在原奧氏 體晶界出排列，呈網(wǎng)絡(luò)狀。為了得到合適的強度，需要了解各種強化方式的作用大小和基本規(guī)律，從而更好地優(yōu)化成分和制定工藝，取得最好的強化效果。因北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 此，多年人們一直通過多種手段致力于晶粒細化的研究。 第二相的析出過程就是過飽和固溶體的分解過程。 但是，在一般的正火態(tài)或熱軋態(tài)使用的結(jié)構(gòu)鋼中，碳氮的固溶強化并不能成為主要的強化方式，因為高的碳氮含量（尤其是間隙碳氮含量）將極大損壞鋼的韌性和可焊性。位錯密度越高，金屬抵抗塑性變形的能力就越大。 相變強化特征： ① 鋼的化學成份決定要有結(jié)構(gòu)變化的原相（母相）， 這是前提； ② 發(fā)生相變有一個形核和長大的過程，例如隨著冷卻條件的變化，相變有擴散北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 與非擴散之別，在較高溫度下的相變過程由擴散控制，低溫下的相變?yōu)榍凶兛刂茩C制； ③ 應(yīng)變和冷卻是兩個重要的驅(qū)動條件，在外力作用下，如熱加工或冷變形，在冷卻或加熱的情況下，狀態(tài)失去了平衡，由高能量狀態(tài)向低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變。 2．由于大幅度降低碳量，因此鋼種的可焊性極佳，可以保證一般在寒冷地區(qū)施實焊接時不用預(yù)處理和后處理。 Cu在低碳貝氏體鋼中的作用 在鋼中加入銅，可以提高鋼的耐蝕性、強度，改善焊接性、成型性與機械加工性能等。通常認為銅不會引起冷裂，但引起熱裂。國外對銅合金化進行 了深入的研究，認為采用鎳、銅共同加入的方法，精確的控制成份認為避免熱脆，使銅均勻固溶。控制軋制分為三個階段，如圖 所示 [37]。一方面奧氏體晶粒被壓扁，晶內(nèi)引入大量缺陷；另一方面，鐵素體在較小的變形量下發(fā)生回復，形 成亞晶結(jié)構(gòu)，而在大變形條件下發(fā)生；連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，形成細小的鐵素體晶粒。在加速冷卻過程中起作用的主要是相變強化以及進一步使 α 晶粒細化或加強碳氮化物沉淀強化效果。 北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 試驗內(nèi)容及研究步驟 試驗設(shè)備 掃描電鏡，光學顯微鏡，拋光機，拉力試 驗機等。 從圖中可以看出， Q550D 的組織比較細小，而且呈板條狀，從圖 羽毛狀的上貝氏體組織，在奧氏體晶界處，形成不規(guī)則的板條狀的組織，其中也有一些黑色的珠光體與滲碳體存在。 圖 Q550D 軋向邊部 圖 Q550D 軋向中間 圖 Q550D 在電子顯微鏡下的軋向組織圖 北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 對比橫向組織，軋向組織的晶粒在軋制方向上變長，這就使得 Q550D 在軋向上和橫向上性能的差異，導致 Q550D 在軋制方向上的力學性能比橫向上的低。 圖 SM570H軋向邊部 圖 SM570H軋向中間 北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 圖 SM570H在軋向上的組織圖 從圖中可以看出，在軋制方向上的鐵素體板條變長，在橫向上變窄，這主要是由于軋制方向上受力比較大造成的，一般在晶界出碳含量比較大，而在馬奧島內(nèi)的碳濃度較低。 表 32 SM570H 雜質(zhì)元素成分表 元素類型 元素含量（ %） 原子含量（ %） Mg Al S Ca Mn 圖 SM570H中的非金屬夾雜物 北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 圖 Q550D 非金屬夾雜的能譜分析圖示 圖 SM570H非金屬夾雜物的成分分析 從圖 中看以看出， S的含量減小，而金屬元素的量增多了。 從圖 中可以看出，在相互平行的鐵素體板條之間，分布著不連續(xù)的碳化物，這些碳化物能夠提高貝氏體鋼的強度，因為碳化物能夠阻礙為錯的運動，為錯只有繞過它才能前行，單位面積的碳化物分布越多，貝氏體中碳化物的顆粒越小，顆粒數(shù)量越多，分布越彌散，碳化物顆粒間距越小，碳化物對貝氏體強度的貢獻越大，拉伸強度越高。 (4) 貝氏體鋼中由于貝氏體組織精細，而且分布均勻，所以貝氏體鋼有著良好的強韌性。增強鋼的強度可以通過 合金元素的置換固溶強化來實現(xiàn)。這些夾雜物影響