【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2100型超低碳貝氏體中厚鋼板 ， 通過(guò)控軋控冷處理和高度合金化實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化與位錯(cuò)強(qiáng)化的綜合作用。該鋼以 80%累積變形量進(jìn)行精軋并隨后空冷 ， 其屈服強(qiáng)度可高達(dá) 700MPa， 且 FATT可提高到 50℃ 。但該類鋼的 Ni、 Mo含量較高 ， 含碳量低于 %， 因此需要進(jìn)行爐外精煉工藝處理 ， 同時(shí)還對(duì) TMCP工藝設(shè)備提出了較高要求。 目前 ， 我國(guó)許多鋼板生產(chǎn)廠尚不具備這些高強(qiáng)韌性鋼生產(chǎn)所需的爐外精煉、控軋控冷及淬回火條件。清華大學(xué)利用廉價(jià)的普通元素對(duì)低碳貝氏體鋼進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M織與合金設(shè)計(jì) ， 在普通條件下生 產(chǎn)出仿晶界型鐵素體 粒狀貝氏體復(fù)相鋼。它以 Mn、 Cr作為主要合金元素 ， 加入適量 Si以抑制碳化物的形成 ， 增強(qiáng)殘余奧氏體的穩(wěn)定性 ， 提高鋼的回火抗力。在連續(xù)空冷過(guò)程中先形成一定量晶粒尺寸較小的仿晶界型鐵素體作為韌化相 ， 富碳過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變成粒狀貝氏體 ， 進(jìn)而得到高韌性的仿晶界型鐵素體 粒狀貝氏體復(fù)相組織。 經(jīng)生產(chǎn)試驗(yàn)表明 ， 該鋼的強(qiáng)韌性能優(yōu)良 ， 抗拉強(qiáng)度為 850MPa， 屈服強(qiáng)度為 540MPa， 沖擊韌度 (40℃ )k=34J/cm2，與同類鋼相比 ， 其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單 ， 成本低廉。 在鐵路向高速、重載、無(wú)縫發(fā)展的過(guò)程中 ， 提高鐵路鋼軌 的綜合力學(xué)性能起著越來(lái)越重要的作用。目前鋼軌主要采用高碳珠光體鋼 ， 道叉采用高錳鋼。為進(jìn)內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 一步提高耐磨性 ， 人們開(kāi)始研究貝氏體 鋼軌 ， 初步試驗(yàn)已顯示其優(yōu)越性。 20世紀(jì)90年代 ， 國(guó)外對(duì)貝氏體鋼在鐵路行業(yè)中的應(yīng)用開(kāi)展了一系列研究 ， 主要集中在鋼軌、道岔和車輪方面 ， 英國(guó)鋼鐵公司設(shè)計(jì)的貝氏體鋼軌已進(jìn)行應(yīng)用。我國(guó)研究工作目前正處于起步階段 ， 清華大學(xué)、北京交通大學(xué)和鐵道部科學(xué)研究院等相繼對(duì)此 進(jìn) 行了研究 [4,5]。 貝氏體鋼的特點(diǎn) 貝氏體鋼是一種熱加工后空冷所得組織為貝氏體或貝氏體 馬氏體復(fù)相組織的鋼類。它的主要優(yōu)點(diǎn)概括 如下： (1)熱成型后空冷自硬，可免除傳統(tǒng)的淬火或淬火回火工序。從而節(jié)約大量的熱處理費(fèi)用，與熱加工工藝結(jié)合，將大幅度降低成本。 (2)大量節(jié)約能源。 (3)免除淬火過(guò)程產(chǎn)生的變形、開(kāi)裂、氧化和脫碳等缺陷。 (4)產(chǎn)品整體硬化，強(qiáng)韌性好，綜合力學(xué)性能優(yōu)良。 (5)使用上量大面廣。 (6)減少環(huán)境污染。 (7)部分產(chǎn)品可將冶金生產(chǎn)與機(jī)械生產(chǎn)的工藝流程合并，實(shí)現(xiàn)全工序“超短生產(chǎn)流程”。鋼廠直接出產(chǎn)品，效益附加值更高，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。 貝氏體鋼以其性能價(jià)格比方面具有的明顯優(yōu)勢(shì) ， 使其應(yīng)用前景十分廣闊。 貝氏體 鋼是 21世紀(jì)的新一代鋼種 ， 它的不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 ， 正逐步引起鋼鐵業(yè)和機(jī)械加工制造業(yè)工藝流程的變革 ， 對(duì)推動(dòng)相關(guān)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步將起到重要作用。低碳或超低碳、 微合金、超細(xì)晶、高強(qiáng)度和高潔凈度貝氏體鋼是研究的主要方向。 國(guó)外 低碳貝氏體鋼 以美國(guó)和加拿大為代表的 Fe2Cu2Nb2B系列和以日本為代表的 Fe2Mn2Nb2B系列 ， 而且在超高強(qiáng)度貝氏體鋼的研究方面他們處于領(lǐng)先地位。日本和韓國(guó)相繼啟動(dòng)了 21世紀(jì)高性能結(jié)構(gòu)鋼 (超級(jí)鋼鐵材料 )的國(guó)家項(xiàng)目。 國(guó)內(nèi)低碳或超低碳、微合金、超細(xì)晶、高強(qiáng)度和高潔凈度貝氏體鋼已經(jīng)列入我國(guó)第一批重大基 礎(chǔ)研究項(xiàng)目之一。北京鋼鐵研究總院、中科院金屬研究所、北京科技大學(xué)、寶鋼和首鋼等單位已經(jīng)取得了一定成果。目前貝氏體鋼的研究仍處于貝氏體相變機(jī)理研究與貝氏體鋼的開(kāi)發(fā)與 推廣應(yīng)用階段 [6,7]。 目前貝氏體鋼的研究仍處于 貝氏體相變機(jī)理研究與貝氏體鋼的開(kāi)發(fā)與推廣應(yīng)用階段 ， 因此今后需加強(qiáng)以下研究工作 : 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 (1)控制鋼中貝氏體組織的形態(tài) 。 鋼中貝氏體組織形態(tài)決定鋼的性能。合理控制鋼中貝氏體組織形態(tài) ， 細(xì)化貝氏體組織 ， 控制鋼中復(fù)相組織 ， 開(kāi)發(fā)高強(qiáng)韌貝氏體鋼、超級(jí)鋼、納米鋼鐵材料。除內(nèi)在因素諸如鋼的化學(xué)成分和母相組織外 ，后續(xù)的加工工 藝起著決定作用。從低合金高強(qiáng)度鋼的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看 ， 開(kāi)發(fā)研制控軋貝氏體鋼是十分必要的。控軋控冷貝氏體鋼勿需熱處理工序 ， 節(jié)能 ， 節(jié)省合金資源 ， 因此生產(chǎn)成本低 ， 而且控軋控冷在馳豫過(guò)程中可以充分細(xì)化組織 ， 大幅度提高強(qiáng)度和韌性 ， 具有廣闊的應(yīng)用前景。低溫等溫處理是制備納米貝氏體鋼的一條途徑。 (2)開(kāi)發(fā)貝氏體鋼新品種 。 除對(duì)現(xiàn)有貝氏體鋼的生產(chǎn)工藝進(jìn)行完善與優(yōu)化外 ，還應(yīng)不斷開(kāi)發(fā)新的貝氏體鋼品種 ， 擴(kuò)大貝氏體鋼產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。貝氏體鋼在模具用鋼、耐磨耐沖擊鋼、工程構(gòu)件用鋼等領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)研究將進(jìn)一步深入 ， 同時(shí)還要研究開(kāi)發(fā)貝氏體鋼在彈簧 、建筑用高強(qiáng)度鋼筋、齒輪、標(biāo)準(zhǔn)件和機(jī)械等的使用。 貝氏體與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶理論基礎(chǔ) 貝氏體 理論研究 貝氏體一般是由鐵素體和碳化物所構(gòu)成的非層狀組織，它 是過(guò)冷奧氏體在中溫區(qū)域等溫或連續(xù)冷卻條件下分解后的產(chǎn)物。由于用等溫處理獲得貝氏體組織的熱處理工藝已廣泛應(yīng)用，以及高強(qiáng)度貝氏體鋼的發(fā)展，因而研究貝氏體的組織形態(tài)和形成規(guī)律有著重要的意義。 貝氏體組織形態(tài)： （ 1） 針狀貝氏體，又分為上貝氏體和下貝氏體 （ 2） 粒狀貝氏體 （ 3） 無(wú)碳化物貝氏體 （ 4） 其他，如柱狀貝氏體，反向貝氏體 但從工程技術(shù)應(yīng)用來(lái) 看，大多 數(shù)鋼中的貝氏體屬于兩種典型的形態(tài)，即上貝氏體和下貝氏體 [8,9]。 上貝氏體是由大致平行排列的板條狀鐵素體以及中間分布著斷斷續(xù)續(xù)的細(xì)桿狀滲碳體所組成 ， 滲碳體分布的方向大致上與鐵素體板條的長(zhǎng)軸相平行。在光學(xué)顯微鏡下， 上貝氏體呈羽毛狀，有的只是單邊平行呈梳狀。在放大倍率較低時(shí)，內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 上貝氏體中的鐵素體 和滲碳體的形態(tài)及分布狀況一般不易辨認(rèn)， 尤其是滲碳體更難于看出。 試樣雙磨面金相檢驗(yàn)表明，上貝氏體中的鐵素體是板條狀的或針狀的。在一般情況下，在上貝氏體的形成溫度范圍，隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低以及碳含量的增加，只會(huì)使上貝氏體中的 鐵素體板條更薄 、更密集 ，而不改變上貝氏體的基本形態(tài)；鋼中碳含量的增加，只會(huì)影響碳化物的量，而不影響碳化物的分布。另外，上貝氏體中，滲碳體之間距主要由鐵素體板條的尺寸所決定。 圖 下貝氏體是鐵素體和碳化物所組成的兩相組織， 在光學(xué)顯微鏡下， 典型的下貝氏體呈針狀，且較易腐蝕， 下貝氏體容易侵蝕呈黑色，類似回火馬氏體 ， 試樣雙磨面金相分析表明，下貝氏體的立方形態(tài)為凸透鏡狀，而不是針狀或條狀。 圖 下貝氏體組織 下貝氏體的組織形態(tài)與上貝氏體有明顯不同，主要是：下貝氏體中的鐵素體大多為片 狀（或針狀）；而板條狀的較少。 在下貝氏體形成過(guò)程中，由于沒(méi)有上貝氏體那種成排的相互激發(fā)而產(chǎn)生和應(yīng)成核的作用，因而出現(xiàn)一束束平行的鐵素內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 體的情況也較少。盡管下貝氏體也優(yōu)先在奧氏體晶界上成核，但大量的下貝氏體還是在奧氏體晶內(nèi)形成。下貝氏體在形成過(guò)程中呈現(xiàn)出單一的傾斜浮凸，而上貝氏體的浮凸則是多棱的。下貝氏體中的碳化物最初形成的大多是 ε碳化物，而上貝氏體中大部分為滲碳體。這種 ε碳化物隨著保溫時(shí)間的增長(zhǎng)或經(jīng)回火， 則可變?yōu)樘蓟?。下貝氏體的形態(tài)很像高碳的回火馬氏體，甚至在光學(xué)顯微鏡下很難辨認(rèn)。此外，在下貝氏體中則沒(méi)有觀 察到欒晶，而在高碳 馬氏體中經(jīng)常見(jiàn)到。據(jù)認(rèn)為這些都可能使下貝氏體獲得強(qiáng)度與韌性良好的結(jié)合。 粒狀貝氏體是五十年代后期確定的。這種貝氏體是由塊狀鐵素體和富碳奧氏體區(qū)所組成。由于富碳奧氏體區(qū)一般呈顆粒狀，因而得名。這種富碳奧氏體區(qū)，可能呈孤立的小島狀，也可能呈小河狀，一般形狀很不規(guī)則；它既可能分布于鐵素體晶粒內(nèi)，也可能分布于鐵素體晶界上。 這些島狀?yuàn)W氏體由于碳及其它元素間內(nèi)部擴(kuò)散而使其穩(wěn)定化，最后可能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、 鐵 素體或滲碳體的混合物 。 圖 粒狀貝氏體組織 觀察表明，鐵素體基體上分布著白亮的浮凸小塊（ 即小島），小島的分布較復(fù)雜，起初是富碳的奧氏體，在隨后的冷卻過(guò)程中，可能分解（或部分分解） 為鐵素體與滲碳體，也可能轉(zhuǎn)變（或部分轉(zhuǎn)變）為馬氏體，或者馬氏體和奧氏體；在低碳合金鋼中的小島大多是馬氏體和奧氏體。 粒狀貝氏體起初是在一些低碳鋼或中、低碳合金鋼中發(fā)現(xiàn)的，尤其在一定冷卻速度的連續(xù)冷卻條件下，如正火、熱軋空冷或焊接熱影響區(qū)容易形成。形成溫度大致在上貝氏體形成溫度區(qū)域的上部；較快的冷卻速度或較低的轉(zhuǎn)變溫度都不適于粒狀貝氏體的形成。 無(wú)碳 貝氏體是僅由鐵素體所組成的單相組織。在一些含碳較低的鋼中， 當(dāng)貝氏體的數(shù)量不 多或稍低于貝氏體的形成溫度 Bs 點(diǎn)時(shí)，可形成幾乎不含碳化物的、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 按共格關(guān)系長(zhǎng)大的鐵素體，這種組織稱之為無(wú)碳化物貝氏體。這種無(wú)碳化物貝氏體大多開(kāi)始于奧氏體晶界形成一束平行的片，每個(gè)片較寬，片間距較大。 除了有呈條狀的鐵素體外，也有呈“小島”狀的，還有的則可能為桿狀鐵素體的切面。這種無(wú)碳化物貝氏體很難成為鋼中單獨(dú)得以存在的組織形態(tài)，因?yàn)殡S轉(zhuǎn)變過(guò)程的進(jìn)行，那些片間富碳奧氏體區(qū)，最終要析出碳化物。 所以，最后不是轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，就是轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w。當(dāng)轉(zhuǎn)變不完全時(shí)，冷卻下來(lái)則部分轉(zhuǎn) 變?yōu)轳R氏體。若鋼中合金元素高時(shí)，在室溫下能保 留一些穩(wěn)定的奧氏體 [10,11]。 合金貝氏體鋼中元素的作用 微合金化是指在基本化學(xué)成分中添加微量（不大于 %的）的 合金元素，從而使鋼鐵材料的一種或幾種性能具有明顯提高的工藝技術(shù)， 經(jīng)過(guò)此法處理的 貝氏體 鋼稱為微合金 貝氏體 鋼。 低碳微合金貝氏體鋼是近 20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新鋼種，具有良好的強(qiáng)韌性，焊接性能等優(yōu)點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于制造領(lǐng)域。 低碳貝氏體鋼是以鉬鋼或 鉬 硼鋼為基礎(chǔ)，同時(shí)加入錳，鉻，鎳以及其他微合金元素（鈮，鈦，釩）， 從而開(kāi)發(fā)出一系列低碳貝氏體鋼種。低碳貝氏體鋼種的研究將成為發(fā)展屈服強(qiáng)度為 450800Mpa級(jí)別鋼種的主要途徑。低碳貝氏體鋼中主要添加的合金元素機(jī)器作用如下： 碳元素是強(qiáng)間隙固溶強(qiáng)化元素，可提高強(qiáng)度，但不能依靠其提高強(qiáng)度 。盡量降低含碳量，即保持一定的韌性，也為了獲得良好的焊接性。 鉬元素能夠使鋼在空冷條件下獲得貝氏體組織。鉬元素使鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線中的鐵素體析出出現(xiàn)明顯右移，但不明顯推移貝氏體轉(zhuǎn)變，所以過(guò)冷奧氏體得以直接向貝氏體轉(zhuǎn)變，而在此前沒(méi)有或者只有部分先共析體鐵素體析出，這樣也就不再發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。 利用 微量硼元素，使鋼的淬透性明顯增加。鉬硼負(fù)荷作用使過(guò)冷奧氏體向鐵素體的等溫轉(zhuǎn) 變曲線進(jìn)一步右移，使貝氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始線明顯突出。 硅元素是固溶強(qiáng)化元素，使貝氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在更低的溫度，并使貝氏體轉(zhuǎn)變C曲線右移。 加入其它能夠增大鋼過(guò)冷能力的元素，如錳，鉻，鎳等，以進(jìn)一步增大鋼的淬透性，促使貝氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在更低的溫度，目的是下貝氏體組織，增加其強(qiáng)度 。 加入強(qiáng)碳化物形成元素，即微合金化，以保證進(jìn)一步細(xì)化晶粒，同時(shí)，微合內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 金化也可以產(chǎn)生沉淀 強(qiáng)化效果 [12,13]。 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶研究理論基礎(chǔ) 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是指金屬在熱變形過(guò)程中發(fā)生的再結(jié)晶現(xiàn)象。 而靜態(tài)再結(jié)晶是指冷變形金屬在再結(jié)晶溫度以上退火時(shí)， 由新的無(wú)畸變的晶粒取代變形晶粒的過(guò)程。再結(jié)晶不是相變過(guò)程，它只有組織變化而沒(méi)有晶體結(jié)構(gòu)的變化。與 熱變形各道次之間以及變形完畢后加熱和冷卻時(shí)所發(fā)生的靜態(tài)再結(jié)晶相比，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的特點(diǎn)是：動(dòng)態(tài)再結(jié)晶要達(dá)到臨界變形量和在較高的變形溫 度下才能發(fā)生；與靜態(tài)再結(jié)晶相似，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶易在晶界及亞晶界形核 ； 動(dòng)態(tài) 再結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)再結(jié)晶時(shí)無(wú)需孕育期 ； 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的時(shí)間隨溫度升高而縮短 [14]。 穩(wěn)態(tài) 非穩(wěn) 態(tài) 圖 態(tài)再結(jié)晶的兩種真應(yīng)力 真應(yīng)變曲線 發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)真應(yīng)力 真應(yīng)變曲線的特征是在高應(yīng)變速率的情況下，應(yīng)力隨應(yīng)變不斷增加，直至達(dá)到峰值后又隨應(yīng)變下降，最后達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。由此可見(jiàn)，在峰值之前，加工硬化占主導(dǎo)地位，在金屬之中只發(fā)生部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，硬化程度大于軟化程度。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到極大值之后，隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的加快，軟化作用開(kāi)始大于硬化作用，于是曲線下降。當(dāng)由變形造成的硬化與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所造成的軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，曲線進(jìn)入穩(wěn)定態(tài)階段。 在低應(yīng)變速率下，與其 對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定態(tài)階段的曲線呈波浪形變化，這是由于反復(fù)出 現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 變形 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，即交替進(jìn)行軟化 硬化 軟化而造成的。在熱變形過(guò)程中，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶也是通過(guò)形核與長(zhǎng)大完成的。其形核方式與應(yīng)變速率內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 及由此引起的位錯(cuò)組態(tài)變化有關(guān)。 當(dāng) 應(yīng)變速率較低時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶主要是通過(guò)原晶界的弓出機(jī)制形核。應(yīng)力 應(yīng)變曲線中，穩(wěn)定流變出現(xiàn)周期性波動(dòng)的原因是由于在低應(yīng)變速率熱變形過(guò)程中，位錯(cuò)度增大緩慢，尚不足以使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶全面發(fā)生和引起明顯軟化，故取決于加工硬化而使曲線呈下降波動(dòng)。此后這種過(guò)程不斷重復(fù)并呈周期性變化，其振幅逐漸衰減。 當(dāng)應(yīng)變速率較高時(shí)，由于位錯(cuò)纏結(jié)所構(gòu)成的細(xì)小亞晶，使晶 界被釘扎的距離縮小，以至難以弓出方式形核，故主要通過(guò)亞晶合并的長(zhǎng)大方式進(jìn)行。 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的條件 是 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶只能在一定條件下才能發(fā)生。用 Z（溫度補(bǔ)償變形速率因子 Z=εexp(Q/RT)） ， 因 子來(lái)討論其發(fā)生的條件。當(dāng) Z一定時(shí)，隨著加工程度 ε的增大， 材料組