【文章內(nèi)容簡介】 等合金元素，且需熱處理。濟鋼 [16]研制開發(fā)了一種新型的貝氏體高強鋼（ CSiMnCr 系），其特點是鋼中不加入昂貴的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價就能使鋼板 TMCP 處理后空冷自硬，從而節(jié)約大量熱處理費用，降低了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)難度。攀枝花鋼鐵公司與清華大學、二汽合作開發(fā)的貝氏體微合金非調(diào)質(zhì)鋼12Mn2VB 代替 45 調(diào)質(zhì)鋼制造汽車前軸，效果良好。 寶鋼 [17]研究了 MnMoNbB 系超低碳貝氏體鋼的鋼坯加熱、控制軋制、控制冷卻、時效處理諸因素與鋼力學性能的關(guān)系，生產(chǎn)了 620MPa、 690MPa 等兩個級別的鋼板。鞍鋼 [18]采用控軋控冷工藝試制了 HQ590DB 低碳貝氏體鋼板。其終軋溫度為800～ 850℃ ，控制終冷溫度為 590～ 630℃ ，獲得鐵素體和板條狀貝氏體組織，鋼板抗拉強度達 650～ 690MPa，屈服強度達 490～ 590MPa，延伸率為 20%，并具有良好的成形性能。 采用奧氏體再結(jié)晶、未再結(jié)晶、奧氏體與鐵素體兩相 區(qū)三段控制工藝并配合相北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 應的壓下率，舞鋼試制成功了低碳貝氏體鋼 WDB6 DB690 及 WH70[19]。 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。國內(nèi)對低碳貝氏體鋼的研發(fā)大部分停留在試驗研究階段，只有個別廠家成功生產(chǎn)出低碳貝氏體鋼。 低碳貝氏體鋼的發(fā)展前景 市場需求前景 高強度低碳貝氏體鋼被國際上公認為 21 世紀鋼種，國外在 20世紀 80 年代才開始進行研制。與普通低合金鋼相比，該鋼種由于碳含量下降，在保證高強度的條件下，仍能保持很高的 韌性，并在惡劣環(huán)境下能滿足焊接性能，其應用范圍廣泛，可用于石油管線、艦船、大型結(jié)構(gòu)件及海洋設(shè)施等方面。 近些年，在機械、汽車等行業(yè)，非調(diào)質(zhì)鋼替代傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)鋼已經(jīng)獲得了廣泛的應用。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。汽車工業(yè)發(fā)達的日本，其非調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展最為活躍，川崎制鐵開發(fā)出具有耐大氣腐蝕性的非調(diào)質(zhì)低碳貝氏體型中厚鋼板。 空冷貝氏體鋼屬于非調(diào)質(zhì)鋼中的一類。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?？绽湄愂象w鋼具有良好的綜合力學性能，不僅提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，而且延長了產(chǎn)品的使用壽命，應用前景非常廣闊。 空冷貝氏體鋼應用于制造汽車前軸，由于其熱加工性能良好，同時由于具有優(yōu)良的強韌度配合，故可提高前軸的質(zhì)量及壽命。因此，對汽車前軸這類關(guān)鍵的保安件來說，采用空冷貝氏體鋼制造，不僅經(jīng)濟效益顯著，而且對保證汽車質(zhì)量具有重要意義。 1998 年重汽集團公司與唐山貝氏體鋼總廠聯(lián)合開發(fā)了斯太爾汽車前軸用貝氏體鋼，其性能優(yōu)良，力學性能可達到 :屈服強度 ≥500MPa，抗拉強度 ≥900MPa，延伸率 ≥17%，斷面收縮率 ≥61%。 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。目前使用的各種材料不僅成本北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 高，而且由于硬度高、韌性差而使破碎率高。低碳貝氏體耐磨鋼球從表面到心部都具有高硬度、高韌性、低破碎率，且工藝簡單，低成本，生產(chǎn)效率高。低碳貝氏體鋼還可應用于制作塑料模具、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。 總之，低碳貝氏體鋼種的研制與開發(fā)越來越引起材料界和工業(yè)行業(yè)的極大 興趣。目前國內(nèi)各特殊鋼廠都相繼研制開發(fā)出一系列低碳貝氏體鋼。低碳貝氏體鋼的應用也正在不斷深入國內(nèi)各工業(yè)行業(yè)，所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也日益得到人們的認可。 低碳貝氏體鋼的品種發(fā)展方向 隨著國際、國內(nèi)經(jīng)濟的飛速發(fā)展和我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，國內(nèi)外鋼材市場消費發(fā)生了較大的變化，其中低合金高強度鋼的市場需求增加幅度越來越大。 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?！逗?―十一五 ‖鋼材品種生產(chǎn)及 科技發(fā)展規(guī)劃》指出邯鋼中長期鋼材品種的發(fā)展方向和目標 :到 20xx 年板帶比由 50%提升至 80%，板帶材以建筑、造船、工程機械用熱軋中厚鋼板和板卷，汽車、家電、集裝箱用薄板系列為主體的品種結(jié)構(gòu) 。到 年實現(xiàn)板帶比達 85%，最終形成以自主知識產(chǎn)權(quán)為主導的板帶品種研發(fā)基地。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。 很明顯，低碳貝氏體鋼的研發(fā)符合邯鋼中長期鋼材品種的發(fā)展方向和目標，對于提高邯鋼鋼材產(chǎn)品的市場競爭力、形成以自主知識 產(chǎn)權(quán)為主導的板材品種研發(fā)平臺具有積極的推動作用。 除此之外，寶鋼、首鋼、鞍鋼、濟鋼等國內(nèi)大型鋼鐵集團都對低碳貝氏體鋼的生產(chǎn)制定了明確的規(guī)格和生產(chǎn)工藝，已及低碳北市鋼的長期發(fā)展計劃。 低碳貝氏體鋼的研發(fā)方向 低碳貝氏體鋼以其性能價格比方面具有的明顯優(yōu)勢，在我國的應用前景將十分廣闊。貝氏體系列鋼的研究目前仍處于貝氏體相變機理研究與貝氏體鋼的開發(fā)與推廣應用階段。 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)品的應用范圍。低碳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)域的開發(fā)研究將進一步深入，同時研究開發(fā)低碳貝氏體鋼在彈簧、建筑用高強度鋼筋、齒輪、標準件等方面的使用。 (2)加強控軋控冷低碳貝氏體鋼的研制從低碳貝氏體鋼的發(fā)展趨勢來看，開發(fā)研制控軋控冷貝氏體鋼是十分必要的。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，從而具有廣闊的應用前景。 2研究貝氏體組 織的意義與分類 20 世紀年代末， Robertson[20]首次在鋼種發(fā)現(xiàn)后來被命名為貝氏體的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，事實上 Ronertson 當時對此未給予足夠重視。 20 世紀 30 年代初， Dabenport 和bain[21]在研究奧氏體于 150℃ （馬氏體形成溫度） 550℃ （珠光體形成溫度）之間等溫冷卻轉(zhuǎn)變時，發(fā)現(xiàn)奧氏體分解產(chǎn)生一種新的組織，該組織形態(tài)呈針狀，每個針是由易腐蝕聚合物組成，但由于分析手段限制，當時無法對此聚合物進行組織結(jié)構(gòu)鑒定。此外，在同一材料中，與珠光體和馬氏體組織對比可知，它們之 間存在著顯著差別。共析鋼在不同溫度等溫時，其分解產(chǎn)物是不同形態(tài)的組織， 720℃ 等溫時，其分解產(chǎn)物是層片狀珠光體組織， 290℃ 等溫時，獲得針狀組織， 180℃ 等溫時，獲得馬氏體組織。 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。 盡管于 1934 年， Bain 實驗室工作人員為紀念 Bain，已經(jīng)提出了貝氏體這個術(shù)語，但隨后的一段時間， Bain 及其同事 [23]，通常仍謹慎地將這種 組織稱之為未命名北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 的、易侵蝕的、在某種程度上與馬氏體像是的針狀聚合物。 由于在貝氏體相變這個問題上，國內(nèi)和國外的貝氏體研究專家有很大的分歧，特變是關(guān)于貝氏體的相變原理，表面浮凸等，所以關(guān)于貝氏體的定義不同學派的學者有各自不同的定義。 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。板條或片狀形態(tài)均值鐵素體，碳化物分布于鐵素體條片間或其內(nèi)部，碳化物也可能延遲析出。此時，貝氏體只由鐵素體組成，有色合金貝氏體則由單相組成。貝氏體轉(zhuǎn)變至少伴隨如下特征。 （ 1） 呈板條狀或條狀； （ 2） 相變過程伴隨形成 規(guī)則的表面浮凸，但浮凸形態(tài)上不具有不變平面應變特征，常呈帳篷形。 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。 由于貝氏體的形成溫度范圍寬，鋼的化學成分對組織的形態(tài)影響復雜，使得貝氏體組織形態(tài)多樣化。一般而言，貝氏體由鐵素體和滲碳體兩相構(gòu)成。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。 50 年代后期， Habraken[25]發(fā)現(xiàn)低碳及中碳合金鋼中的粒狀貝氏體組織。 除了上述幾種形態(tài)的貝氏體組織外，還有無碳化物貝氏體、柱狀貝氏體、 反常貝氏體、塊狀貝氏體等概念。 研究貝氏體組織的意義 自二 十 世 紀三十年代初 Davenport 和 Bain發(fā)現(xiàn)貝氏體組織以來，很多學者對貝氏體組織的精細結(jié)構(gòu)進行了深入研究和分析通過對低碳貝氏體鋼組織性能的研究，不但有助于深入了解貝氏體相變形成的機制，而且有力于建立組織和性能的關(guān)系，從而分析低碳貝氏體鋼的強化機制，以及合金元素的影響，從而在實際生產(chǎn)中得到性能更好的低碳貝氏體鋼，因此研究低碳貝氏體鋼組織性能有重要的理論與實際意義。 北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 表 21 與貝氏體組織命名相關(guān)的術(shù)語 分類依據(jù) 組織命名 說明 碳化物分布 上貝氏體 θ在 α條間 下貝氏體 θ與 α長軸呈 55176。60 夾角 176。 無碳化物貝氏體 無 θ析出 BⅠ ， BⅡ ， BⅢ 鐵素體形態(tài) 塊狀貝氏體 柱狀貝氏體 粒狀貝氏體 羽毛狀貝氏體 與上貝氏體對應 針狀貝氏體 合金成分 低碳貝氏體 中碳貝氏體 高碳貝氏體 成分、形態(tài)及碳化物分布綜合信息 上貝氏體 羽毛狀 中高碳合金 下貝氏體 片狀 中高碳合金 低碳貝氏體 板條束狀 θ在 α板條之間 成分、形態(tài)及碳化物分布綜合信息 低碳下貝氏體 板條束狀 θ 與 α長軸呈 55176。60 夾角 176。 粒狀貝氏體 θ與 α長軸呈 55176。60 夾角 176。 針狀貝氏體 α 呈板條束，小島半連續(xù)且平行于 α 其它 反常貝氏體 θ 優(yōu)先形成，然后 α 在 θ 上長大 北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 貝氏體組織的分類 關(guān)于貝氏體組織形態(tài)的分類，存在各種不同的依據(jù)，從而導致了許多命名。如表 所示。 從上表可以看出，含碳量及其它合金元素對貝氏體的組織形態(tài)有很大影響，此外熱處理工藝對貝氏體的組織也有較大的影響。 上貝氏體 上貝氏體是貝氏體的基本形態(tài)之一。上貝氏體通常發(fā)生于貝氏體轉(zhuǎn)變的高溫區(qū)內(nèi)，典型的上貝氏體為兩 相組織，是由成束近似平行排列的板條鐵素體和夾在條間析出的斷續(xù)的碳化物構(gòu)成的非層狀組合體。在光鏡下，通?？梢杂^察到上貝氏體中的鐵素體條，但不能鑒別條間析出的碳化物。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。根據(jù)垂直雙磨面分析，上貝氏體的鐵素體為板條形，所謂羽毛狀特征實際是反映了板條束在某一方向上的截面。一般認為典型上貝氏體中的碳化物是滲碳體。碳化物形態(tài)為片狀或 桿狀，多以不連續(xù)的方式分布于鐵素體板條之間。 上貝氏體由板條狀鐵素體組成。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。上述板條狀鐵素體呈長條狀。碳化物在鐵素體之間析出，碳化物的析出方向與貝氏體鐵素體板條束方向平行。如圖 。 上貝氏體的形成溫度越低，過冷度越大，新相和母相之間的體積自由能差值越大，相變驅(qū)動力也越大，故忒素體板條束的數(shù)量越多。 北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 典型上貝氏體（ 350℃ ） 下貝氏體 典型的下貝氏體也是鐵素體和碳化物構(gòu)成的兩相組織，如圖 所示；其具有以下特征： (l)由下貝氏體鐵素體片及其內(nèi)部單向分布的碳化物所組成。下貝氏體鐵素體片經(jīng)實驗和分析證實，它的三維空間形態(tài)呈雙凸鏡狀，其厚 /長比因鋼碳量增多和形成溫度的降低而減小，具有碳過飽和度 。下貝氏體碳化物通常為 ε碳化物或滲碳體，呈薄片狀，與鐵素體板條長軸呈 55～ 60176。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。 圖 典型的下貝氏體組織 (2)下貝氏體鐵素體具有位錯亞結(jié)構(gòu)，即使它的形成溫度低于 Ms點，仍然維 持這種亞結(jié)構(gòu)，位錯密度隨等溫形成溫度降低而增高 。偶爾在上、下貝氏體鐵素體中見到孿北京科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 晶，經(jīng)分析證實，并非為相變孿晶。 (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。 (4)下貝氏體鐵素體片實際上由條狀亞單元和基元塊組成，基元塊中有碳化物。 (5)