【導(dǎo)讀】鏡觀察其微觀組織并利用能譜分析其夾雜物的成分。得到了兩種鋼的組織精細(xì)結(jié)構(gòu)以及。非金屬夾雜物的形貌及成分，分析了這些夾雜物對(duì)低碳貝氏體鋼性能的影響。體板條中鑲嵌著很多細(xì)小的不易辨認(rèn)的滲碳體。而SM570-D的組織屬于粒狀貝氏體組。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(qiáng)化。顯提高低碳貝氏體鋼的強(qiáng)韌性。氏體鋼具有良好強(qiáng)韌性和焊接性能。

　　

【正文】 細(xì)小的鐵素體組織。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 控制軋制工藝大的三個(gè)階段 Ⅲ 階段：奧氏體和鐵素體兩相區(qū)變形。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(fù)，形 成亞晶結(jié)構(gòu)，而在大變形條件下發(fā)生；連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的鐵素體晶粒。在冷卻過(guò)程中，變形奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，但由于第二相鐵素體的存在，相變鐵素體的長(zhǎng)大受到阻礙，獲得的晶粒尺寸較小。 低碳貝氏體鋼終軋溫度的控制 控制材料的終軋溫度對(duì)材料的性能有這重要的意義，試驗(yàn)證明在終軋溫度為1000℃ 以下時(shí)能夠明顯改善材料的晶粒度 [37]，從而改善貝氏體鋼的性能 。 軋后控冷對(duì)組織的影響 軋后加速冷卻是形變熱處理的進(jìn)一步發(fā)展、完善的形式。采用軋后加速冷卻，北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 在不犧牲鋼材韌性的情況下，可使強(qiáng)度進(jìn)一步提 高。從二十世紀(jì)八十年代除開(kāi)始，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家在熱軋板帶鋼生產(chǎn)線上陸續(xù)采用了軋后加速冷卻這一先進(jìn)技術(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中，綜合采用控制軋制與加速冷卻有很多優(yōu)點(diǎn) [38]。 控制軋制和軋后的控制冷卻相結(jié)合，可以在降低微合金元素含量或含碳量的情況下，使微合金鋼強(qiáng)化的同時(shí)又能保持較高的低溫韌性。在加速冷卻過(guò)程中起作用的主要是相變強(qiáng)化以及進(jìn)一步使 α 晶粒細(xì)化或加強(qiáng)碳氮化物沉淀強(qiáng)化效果。通過(guò)軋制后的加速冷卻，可以使未相變的 γ 晶粒發(fā)生相變，生成微細(xì)的多邊形鐵素體晶粒，且內(nèi)部還可能包含亞晶粒。這種包含亞晶粒的混合組織可以使強(qiáng)度增大。 加熱溫度對(duì)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。隨著加熱溫度的升高，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，在 1150℃ 時(shí)，奧氏體晶粒較為均勻，超過(guò) 1180℃ ，由于晶界的碳氮化物完全固溶，對(duì)晶粒長(zhǎng)大的阻礙作用消失，奧氏體晶粒開(kāi)始急速長(zhǎng)大，因而柸料的加熱溫度不應(yīng)該超過(guò) 1180℃ 。降低加熱溫度，利用晶界鈮、釩等的碳氮化物對(duì)晶粒長(zhǎng)大的抑制作用，取得細(xì)化晶粒的效果。而且，降低加熱溫度可以縮短在高溫區(qū)軋后的停留時(shí)間，避免因再結(jié)晶的奧氏體晶粒在高溫區(qū)不斷長(zhǎng)大，而得到粗大的晶粒組織，不利于強(qiáng)度的提高和韌性的 改善。 3 研究?jī)?nèi)容與方案 研究?jī)?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(guò)冷奧氏體在等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，會(huì)形成貝氏體，它是含有過(guò)飽和碳的鐵素體和碳化物的機(jī)械混合物，它又可細(xì)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(duì)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。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 試驗(yàn)內(nèi)容及研究步驟 試驗(yàn)設(shè)備 掃描電鏡，光學(xué)顯微鏡，拋光機(jī)，拉力試 驗(yàn)機(jī)等。 取樣說(shuō)明 （ 1）取樣說(shuō)明 Q550D 試樣： 101015， 2 個(gè) SM570H 試樣： 101015， 2 個(gè) （ 2）本實(shí)驗(yàn)所用的原料是由國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的 Q550D， SM570H 兩種鋼的強(qiáng)度均在 550MPa 以上。 （ 3）光學(xué)顯微鏡下分析軋向與橫向的組織 （ 4）利用掃描電鏡分析夾雜物的成分，形態(tài)與分布 實(shí)驗(yàn)步驟 （ 1）制備試樣 首先把 Q550D， SM570H（各兩個(gè)）鋼線切割成 1210mm的條形試樣，通過(guò)砂紙把軋向和橫向上打磨光滑，然后在拋光機(jī)上拋光，并用 4%的硝酸酒精溶液 侵蝕。 （ 2）光學(xué)鏡下觀察試樣組織 把經(jīng)過(guò)腐蝕的試樣放在 400倍的光學(xué)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。所得到的組織金相如下圖 、 、 、 。 （ 3）在掃描電鏡下觀察組織 把拋光侵蝕后的 Q550D 試樣和 SM570H 試樣（各兩個(gè)）放在掃描電鏡下掃描，觀察分析其組織，如圖 、 、 、 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 Q550D 橫向表面組織 圖 Q550D 軋向表面組織 圖 SM570H橫向表面組織 圖 SM570H軋向表面組織 圖 Q550D 橫向組織 圖 Q550D 軋向組織 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 SM570H橫向組織 圖 SM570H軋向組織 （ 4） 在掃描電鏡下觀察夾雜物形貌 把試樣放電鏡下，觀察試樣中的夾雜物， 因?yàn)樵嚇釉谇治g時(shí)，可能在試樣的表面上殘留一些沒(méi)有除盡的硝酸酒精等，所以首先要區(qū)分，夾雜物，和表面殘留夾雜，一般夾雜物是鑲嵌在貝氏體組織的內(nèi)部，而表面殘留的物質(zhì)一般像是在組織上壘起來(lái)的一樣，突出的很明顯。如圖 ， 所示。 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。 從圖中可以看出， Q550D 的組織比較細(xì)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。由圖 ，自?shī)W氏體晶界開(kāi)始，向晶內(nèi)伸展成北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 束狀的、大致平行的鐵素體板條，條間滲碳體不易辨認(rèn)，從整體看呈羽毛狀。從電子顯微鏡下可以看出，這些鐵素體板條大致平行，相鄰板條間的取向差大約為 6176。到 18176。，滲碳體分布在鐵素體板條之間，沿長(zhǎng)軸方向呈短桿狀、鏈狀或粒狀不連續(xù)排列，如圖 所示。 圖 Q550D 橫向邊部 圖 Q550D橫向中間 圖 Q550D 在電子顯微鏡下的組織 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 從圖 中可以看出，中間的組織相比邊部組織的顆粒度稍大一點(diǎn)，這是由于試樣在軋制冷卻時(shí)，由于在邊部冷卻速度比中間的冷卻速度快，從而使得中間組織的晶粒發(fā)生了長(zhǎng)大，所以使得中間的組織晶粒比較大。 2） Q550D 軋向組織分析：如圖 、 分別為 Q550D 軋向邊部，軋向中間在400 倍下組織圖。圖 為 Q550D 軋向的 SEM 圖。 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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 對(duì)比橫向組織，軋向組織的晶粒在軋制方向上變長(zhǎng)，這就使得 Q550D 在軋向上和橫向上性能的差異，導(dǎo)致 Q550D 在軋制方向上的力學(xué)性能比橫向上的低。 3） SM570H 橫向組織分析：如圖 、 分別為 SM570H 橫向邊部、橫向中間在 400 倍下光學(xué)顯微組織圖。 圖 SM570H橫向上邊部 圖 SM570 橫向中間 從圖中可以看 出， SM570H 中分布著粗大的塊狀或針狀鐵素體，在這些粗大的塊狀或針狀鐵素體內(nèi)（圖 ）或者晶界上（圖 ）分布著一些孤立的形態(tài)為粒狀或長(zhǎng)條狀的小島。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(lái)的。 同樣，在中部的組織比邊部的組織粗大，也是由于冷卻速度不同造成的。在掃描電鏡下（圖 ），可以看到與上貝氏體組織相比， SM570H 組織內(nèi)部的鐵素體板條長(zhǎng)度方向較短，橫向較寬，但是鐵素體的形態(tài)十分相似。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 SM570H 橫向 電鏡組織圖 4） SM570H 軋向組織分析：如圖 、 分別為 SM570H 在光學(xué)顯微鏡下軋向邊部、軋向中間的組織圖。圖 SM570H 在軋向上的電子顯微鏡組織圖。 圖 SM570H軋向邊部 圖 SM570H軋向中間 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(zhǎng)，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。 非夾雜物形貌分析 1)Q550D 中的夾雜物分析：鋼中非金屬夾雜物主要來(lái)自鋼的冶煉和澆注過(guò)程，主要是硫化物，氧化物，硅酸鹽，氮化物等。如圖 所示，從圖中看以看出 非金屬夾雜物鑲嵌在貝氏體中組織中，夾雜物長(zhǎng)約 4um，高 3um，像一個(gè)小島鑲嵌在貝氏體組織中。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。該夾雜物中的 S 含量最多，其次是 Ca、 Mn、 O、 Al，掃描結(jié)果顯示元素的含量百分比如表 31，由于這種夾雜物含有的硫和錳比較多，極有可能是硫化錳及鈣鋁酸鹽形成的復(fù)雜化合物。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 Q550D 中的非金屬夾雜物 表 31 Q550D 中夾雜物的元素成分表 元素類型 元素含量（ %） 原子含量（ %） Al S Ca Mn Fe 這種夾雜物對(duì) Q550D 的強(qiáng)度和韌性有這顯著的影響，使得材料的強(qiáng)韌性減弱，而且降低了材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。 2） SM570H 中的夾雜物分析：相比 Q550D 中的非金屬夾雜物， SM570H 中的非金屬夾雜物比較大，且光澤度比較高，透明度也高，主要是由于 Al的含量比較高引起的，此外夾雜物平面形狀也比較有規(guī)則，呈菱形狀，邊長(zhǎng)大約為 6um，如圖 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 示。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。 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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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。這表明 SM570H中含有較多的微量元素，包括 Al、 Ti、 Mg、 Ca 等。這些夾雜物影響組織的連續(xù)性，從而影響性能，適當(dāng)?shù)目刂茒A雜物的顆粒度大小，可以對(duì)對(duì)材料的性能起到積極地作用。在實(shí)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(huì)造成材料局部力學(xué)性能脆弱，從而影響材料的使用性能。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 此外軋制工藝也對(duì)材料的性能有著顯著地影響，對(duì)于貝氏體的生產(chǎn)一般采用控冷控軋工藝。在 SM570H 中含有較多的 Al，雖然 Al 對(duì)材料有著彌散強(qiáng)化得作用 [39],但是 Al含量太多，會(huì)影響軋制工藝，從而影響材料的性能，所以材料中的微量元素一定要適量 貝氏體中的碳化物 貝氏體中碳化物的類型 、形態(tài)和數(shù)量取決于形成溫度和合金的成分。通常上貝氏體中的碳化物主要為滲碳體，下貝氏體中的碳 化物通常為滲碳體或 ε碳化物。（見(jiàn)附表31）粒狀貝氏體中沒(méi)有碳化物。 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(qiáng)度，因?yàn)樘蓟锬軌蜃璧K為錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，為錯(cuò)只有繞過(guò)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(duì)貝氏體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)越大，拉伸強(qiáng)度越高。然而碳化物如果太多的話，會(huì)明顯降低貝氏體鋼的塑性，所以綜合考慮，貝氏體鋼中的碳化物分布不易過(guò)多，而且盡量 彌散分布。增強(qiáng)鋼的強(qiáng)度可以通過(guò) 合金元素的置換固溶強(qiáng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。 結(jié) 論： (1) 通過(guò)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。相比 Q550D， SM570H 的組織更加精細(xì)。 (2) 兩種鋼均為低碳貝氏體鋼，且在兩種鋼中都含有鈣鋁酸鹽非金屬夾雜物，這些夾雜物能夠降低材料的強(qiáng)韌性，從而影響材料的使用性能。 (3) 在低碳貝氏體鋼中的一些微量元素如 Al， Mn 能夠?qū)ω愂象w鋼有強(qiáng)化作用，主要是彌散強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化。在實(shí)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。 (4) 貝氏體鋼中由于貝氏體組織精細(xì)，而且分布均勻，所以貝氏體鋼有著良好的強(qiáng)韌性。 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3