低碳钢中微细非平衡组织的热稳定性

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.05.035 第25卷第5期 北京科技大学学报 Vol.25 No.5 2003年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2003 低碳钢中微细非平衡组织的热稳定性 武会宾杨善武尚成嘉苑少强 贺信莱 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研究了同-~成分的钢经过弛豫-析出控制相变RPC和再加热淬火RQ两种工艺处理 后在500到700℃回火过程中组织与性能的演变.经过RP℃处理后的钢板随回火温度的升高 硬度降低不明显，在600到650℃温度回火时硬度还有所回升：经过RQ处理后的钢板间火前 硬度虽然较低，但软化速度非常快.回火前两种钢板组织均为贝氏体和马氏体的复合组织， 经PC处理后的钢板随回火温度的提高组织没有明显变化，只是一些板条出现合并现象，而 经过RQ处理后的钢板随回火温度的升高板条很快消失最终演变成多边形铁素体，硬度也随 之大幅度下降.以上结果表明微细非平衡组织的热稳定性与其热历史密切相关. 关键词做合金钢：贝氏体和马氏体：回火 分类号TG113.25 通过组织细化可以同时提高钢铁材料的强 加热温度1200℃ 度和韧性，但细化组织比界面积大，界面能高， 再结品，>60% 热稳定性会变差，细化的贝氏体-马氏体复合组 非结晶，>60%再加热温度930℃ 织因其本身就是非平衡组织，一般在焊接和成型 弛豫时间40s 热处理中会导致粗化)，因此保持其稳定性尤为 重要.经过RPC(Relaxation-Precipitation Control RPC RQ phase transtormation)工艺生产的钢板组织中高密 水冷 水冷 度位错会受到原奥氏体中析出物的钉扎作用向， t/s 图1PRC和RQ工艺示意图 有可能使转变组织具有良好的热稳定性.本文拟 Fig.1 Schematic of PRC and RQ techniques 对此展开实验研究 HD945型表面洛氏维氏硬度计上测定硬度 1实验材料和过程 (Hv),选用载荷为294N.扫描样品是经电解抛光 后，再用3%的无水乙醇硝酸溶液侵蚀制备.在金 1.1实验材料 相磨面上制备碳膜萃取复型，用E0-100cx电镜 实验材料是由50kg真空感应炉冶炼，钢锭 观察. 加热到1200℃保温后采用两阶段控轧，如图1所 示.RP℃工艺采取850℃终轧后弛豫40s后730℃ 2实验结果 水冷，该样品为A.RQ(Reheat Quenching)为控轧后 2.1硬度实验结果 再加热到930℃保温1h后再水冷，该样品为B.而 图2给出了经过RPC和RQ两种工艺得到的 后将两种不同工艺得到的钢板在不同温度下回 钢板在回火过程中的硬度变化示意图.从图中可 火.实验材料的化学成分（质量分数）：C为 以看出：两种工艺得到的钢板在随着回火温度升 0.04%,Si为0.33%，Mn为1.5%，P为0.005%，S为 高过程中硬度变化均可以分为三个阶段，经过 0.0051%,Cu为0.53%，Ni为0.26%，Mo为025%， RPC工艺得到的钢板A在500和550℃回火可以 Nb0.0047%,Ti为0.046%，B为0.001%.将样品A 视为第一阶段，在此阶段硬度值仅仅下降了20 和B分别在500,550,600,650,680,700℃保温1h. HV:经600和650℃后，钢板的硬度值又有所回 1.2维氏硬度测量和显微组织及复型观察 升，并且稍稍高于回火前的硬度，此阶段可以视 热处理后的样品经过两面磨制抛光后，在 为第二个阶段；第三个阶段又是硬度下降阶段， 收稿日期2003-01-23武会宾男，25岁，博士 也就是从650℃以后，钢板的硬度又开始缓慢下 *国家“973”项目资助课题(No.G1998061507)和CTIC- CBMM资助项目(No.2002RMJS-KY002) 降，到00℃回火后，硬度值比回火前仅仅降低了

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 节〕 低碳钢 中微细非平衡组织 的热稳定性 武会宾 杨 善武 尚成 嘉 苑 少 强 贺信 莱 北 京科技 大学 材料科 学 与工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 研 究 了 同一 成 分 的钢 经 过 弛 豫一 析 出控制 相 变 和 再 加 热 淬 火 两 种 工 艺 处 理 后 在 到 ℃ 回火过 程 中组 织 与性 能 的演 变 经 过 处 理 后 的钢 板 随 回火温 度 的升 高 硬度 降低不 明 显 ， 在 到 ℃ 温度 回 火 时硬 度还有所 回升 经 过 处 理 后 的钢 板 回火 前 硬度 虽 然较 低 ， 但 软化 速之毫身卜常快 回火 前 两种 钢 板 组织均 为贝 氏体 和 马 氏体 的 复合 组 织 ， 经 砂 处 理 后 的钢 板 随 回火温 度 的提 高组 织 没 有 明 显 变化 ， 只 是 一 些 板 条 出现 合 并现 象 ， 而 经 过 处 理 后 的 钢 板 随 回火 温 度 的升 高板 条很 快 消失 最 终 演 变 成 多边 形 铁 素体 ， 硬 度 也 随 之 大 幅度 下 降 以 结果 表 明微 细 非平 衡 组 织 的热 稳 定 性 与 其热 历 史 密 切 相 关 关键 词 微合 金钢 贝 氏体和 马 氏体 回火 分 类号 通 过 组 织 细 化 可 以 同 时 提 高 钢 铁 材 料 的 强 度 和 韧 性 ‘冈 ， 但 细化 组 织 比 界面 积 大 ， 界面 能 高 ， 热 稳 定 性 会 变 差 ， 细 化 的 贝 氏体一 马 氏体 复 合 组 织 因其 本 身就 是 非平 衡 组 织 ， 一般 在焊 接 和 成 型 热 处 理 中会 导 致粗 化 ‘ 」， 因 此保 持其 稳 定性 尤 为 重 要 经 过 即 一 “ 曲 工 艺 生 产 的钢 板 组 织 中 高密 度 位错 会 受 到 原 奥 氏体 中析 出物 的钉 扎 作 用 ，，， 有 可 能使转变 组 织 具 有 良好 的热稳 定 性 本文 拟 对 此 展 开 实验 研 究 加热温度 ℃ 再结晶 ， 非结晶 ， 再加热温度 ℃ 水冷 豫、、、时间 曰异 ‘乞、 实验 材 料 和 过 程 实验 材 料 实验 材 料 是 由 真 空感 应 炉 冶炼 ， 钢 锭 加 热 到 ℃ 保温 后 采用 两 阶 段控轧 ， 如 图 所 示 即 工 艺采 取 ℃ 终 轧 后 弛 豫 后 ℃ 水 冷 ， 该样 品 为 为控 轧后 再 加 热 到 ℃ 保 温 后 再 水 冷 ， 该样 品 为 而 后 将 两 种 不 同工 艺 得 到 的钢 板 在 不 同温 度 下 回 火 实 验 材 料 的 化 学 成 分 质 量 分 数 为 ， 为 ， 为 ， 为 ， 为 ， 为 ， 为 ， ， 为 ， ， 为 ， 为 将 样 品 和 分 别 在 ， ， ， ， ， 保温 维 氏硬 度 测 量和 显微 组 织 及 复 型 观 察 热 处 理 后 的样 品 经 过 两 面 磨 制 抛 光 后 ， 在 收 稿 日期 刁 毛 武会 宾 男 ， 岁 ， 博 士 国家 ，’ ，， 项 目资助 课 题 和 · 资助项 目 一 图 和 工 艺 示 意 图 讯 碑 型 表 面 洛 氏 维 氏 硬 度 计 上 测 定 硬 度 ， 选 用 载荷 为 ， 扫 描 样 品是 经 电解 抛 光 后 ， 再 用 的无 水 乙 醇 硝 酸 溶 液侵蚀 制 备 在 金 相 磨 面 上 制 备 碳 膜 萃 取 复 型 ， 用 花住 电镜 观 察 实验 结 果 硬 度 实验 结 果 图 给 出 了经 过 和 两 种 工 艺 得 到 的 钢 板 在 回 火 过程 中 的硬 度 变 化 示 意 图 从 图 中可 以看 出 两种 工 艺得 到 的钢 板 在 随着 回火温 度 升 高过 程 中硬 度 变 化 均 可 以分 为 三 个 阶 段 ， 经 过 工 艺 得 到 的钢 板 在 和 ℃ 回火 可 以 视 为第 一 阶 段 ， 在 此 阶 段硬 度值 仅仅 下 降 了 经 和 ℃ 后 ， 钢 板 的硬 度 值 又 有所 回 升 ， 并 且 稍 稍 高 于 回火 前 的硬 度 ， 此 阶 段 可 以视 为第 二 个 阶 段 第 三 个 阶 段 又 是 硬 度 下 降 阶 段 ， 也 就 是 从 ℃ 以后 ， 钢 板 的硬 度 又 开 始 缓 慢 下 降 ， 到 ℃ 回火后 ， 硬度 值 比 回火 前 仅 仅 降低 了 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．05．035

·420· 北京科技大学学报 2003年第5期 320 300 2.2回火过程中的组织演变 组织观察显示，经过RPC和RQ工艺处理后 260 的钢板所得到的组织均为贝氏体和马氏体的混 220 合组织，从图2可以看出，经过RPC的样品比RQ --RO(B) 180 -RPC(A) 的组织更细小并且板条有交叉和相互分割现象， 另外还有一些细小的析出物小点出现在板条之 140 0 500550600650700750 间，尺寸大约100nm以下数量级，但总体差别不 T/℃ 大.回火后两种组织发生了明显的差异，RPC工 图2经过RPC和RQ处理后样品的硬度 艺下的样品经过650℃回火1h后组织变化不明 Fig.2 Hardness change of RPC and RQ samples with tem- 显，仍然可以看到清晰的板条结构，只是板条比 pering temperature 回火前粗大，说明有一些板条组织产生了合并现 30Hv左右.而经过RQ工艺得到的钢板硬度变化 象.而RQ工艺下的样品此时组织的板条状特征 有明显的不同，该钢板一经回火硬度值就单调下 己不明显，只能看到一些模糊的合并后的大板条 降，从图中可以看出500℃回火后，硬度值比回火 边界.当回火温度升高到700℃回火1h后，RP℃ 前下降了30Hv,此阶段可以视为第一阶段：第二 工艺下的样品仍然是清晰的板条组织，而RQ工 阶段是硬度缓慢下降的过程，在500到650℃回 艺下的样品此时全部演变成了多边形铁素体.以 火的过程中硬度值从270Hv左右降到了250Hv 上现象说明了RPC工艺下钢板的组织回火稳定 左右.第三个阶段是从650℃回火以后硬度又开 性明显高于RQ,同时也说明了图2中两种工艺 始急剧下降，回火温度提高到700℃后硬度值已 下钢板硬度曲线的变化规律 经降低到160Hv左右： (a)A回火前 (b)A650℃回火1h (c)A700℃回火1h (dB回火前 (e)B650℃回火1h (①B700℃回火1h 图3PC和RQ两种工艺回火前和回火后扫描电镜下组织形貌 Fig.3 Microstructures of RPC and RQ samples before and after tempering at different temperatures 3讨论 后，如图4(a)所示，同时在相变过程中也会产生 位错，但这些位错未受钉扎.由图4b)可见，500℃ 贝氏体和马氏体的混合组织是一种不稳定 回火后组织相对于回火前没有明显改变，但硬度 的组织，在回火过程中必然向平衡组织转变.组 却有一定程度的下降，这说明此时在板条内部发 织演变的前提是位错的运动.奥氏体区的控制轧 生了导致软化的过程，可能是相变中产生的位错 制变形过程中位错会大量增值，在弛豫过程中由 发生了回复，但变形奥氏体中产生的位错则由于 于应变诱导作用，Nb,T等强碳化物形成元素将 受到钉扎，回复很慢，在回火时又会成为微合金 生成极为细小的碳氮化物而沉淀在变形位错上 元素进一步析出的形核位置，受到进一步的钉 并将其钉扎，在发生贝氏体相变时变形奥氏体 扎，所以样品组织演变不明显，硬度下降缓慢有 中大量位错被保留，并保持被钉扎状态到相变 时还会回升.而经过RQ工艺处理的钢板，由于再

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 谈卜 一一入 ，乙，一﹃，，五，山，‘︺ ︸ 一 山一－ 一一 一 ‘ 一一 上一 一 习 ℃ 图 经 过 和 处理 后 样 品 的硬 度 · 左 右 而 经 过 工 艺 得 到 的钢 板 硬 度 变 化 有 明显 的不 同 ， 该钢 板 一 经 回火 硬度 值 就 单 调 下 降 ， 从 图 中可 以看 出 ℃ 回火后 ， 硬 度 值 比 回火 前 下 降 了 ， 此 阶 段 可 以视 为第 一 阶 段 第 二 阶 段 是 硬 度 缓 慢 下 降 的过 程 ， 在 到 ℃ 回 火 的过 程 中硬 度 值 从 左 右 降到 了 左 右 第 三 个 阶 段 是 从 ℃ 回 火 以后 硬 度 又 开 始 急剧 下 降 ， 回火温 度提 高到 ℃ 后 硬 度 值 已 经 降低 到 左 右 回 火 过 程 中 的组 织 演 变 组 织 观 察 显 示 ， 经 过 和 工 艺 处 理 后 的钢 板 所 得 到 的 组 织 均 为 贝 氏体 和 马 氏体 的混 合 组 织 ， 从 图 可 以看 出 ， 经 过 即 的样 品 比 的组 织 更 细 小 并 且 板 条有 交叉 和 相 互 分 割现 象 ， 另 外 还 有 一 些 细 小 的析 出物 小 点 出现 在 板 条 之 间 ， 尺 寸大 约 以下 数 量 级 ， 但 总体 差 别 不 大 回火 后 两 种 组 织 发 生 了 明显 的差 异 ， 工 艺 下 的样 品经 过 ℃ 回 火 后 组 织 变 化 不 明 显 ， 仍 然 可 以看 到清 晰 的板 条 结构 ， 只 是 板 条 比 回火前粗 大 ， 说 明有一 些 板 条 组 织 产 生 了合 并现 象 而 工 艺 下 的样 品此 时组 织 的板 条状 特 征 已 不 明显 ， 只 能看 到 一 些 模 糊 的合 并 后 的大 板 条 边 界 当 回火 温 度 升 高 到 ℃ 回火 后 ， 工 艺 下 的样 品仍 然 是 清 晰 的板 条 组 织 ， 而 工 艺 下 的样 品此 时全 部演 变成 了多边 形 铁 素 体 以 上 现 象 说 明 了 工 艺 下 钢 板 的组 织 回火稳 定 性 明显 高 于 ， 同时 也 说 明 了 图 中两 种 工 艺 下 钢 板硬 度 曲线 的变 化 规 律 回火 前 回 火 回火 回火前 ℃ 回 火 回火 图 和 两 种 工 艺 回 火 前和 回 火 后 扫 描 电镜 下 组织 形 貌 讨 论 贝 氏体 和 马 氏 体 的 混 合 组 织 是 一 种 不 稳 定 的组 织 ， 在 回火过 程 中必 然 向平 衡 组 织 转 变伟， 组 织演 变 的前提 是位 错 的运 动 奥 氏体 区 的控 制 轧 制变 形 过 程 中位 错 会 大量 增 值 ， 在 弛 豫过 程 中 由 于 应 变 诱 导 作用 ， ， 等 强 碳 化 物 形 成 元 素 将 生 成 极 为 细 小 的碳 氮 化 物 而 沉 淀 在 变 形 位 错 上 并 将 其 钉 扎 ‘ ，， 在 发 生 贝 氏体 相 变 时变 形 奥 氏 体 中大 量 位 错 被 保 留 ， 并 保 持 被 钉 扎 状 态 到 相 变 后 ， 如 图 所 示 ， 同 时在 相 变 过 程 中也 会 产 生 位 错 ， 但 这 些 位 错 未 受钉 扎 由 图 伪 可 见 ， ℃ 回火 后 组 织 相 对 于 回火 前没 有 明显 改变 ， 但 硬 度 却 有 一 定程 度 的下 降 ， 这 说 明此 时在 板 条 内部 发 生 了 导致 软 化 的过 程 ， 可 能 是 相 变 中产 生 的位 错 发 生 了回 复 但 变 形 奥 氏 体 中产 生 的位 错 则 由于 受 到 钉 扎 ， 回 复 很 慢 ， 在 回 火 时又 会 成 为 微 合 金 元 素 进 一 步 析 出 的 形 核 位 置 ， 受 到 进 一 步 的钉 扎 ， 所 以样 品 组 织 演 变 不 明显 ， 硬 度 下 降缓慢 有 时还 会 回升 而 经 过 工 艺 处 理 的钢 板 ， 由于 再

Vol.25 No.5 武会宾等：低碳钢中微细非平衡组织的热稳定性 421· 加热相当于通过热激活使得位错脱离钉扎的过 形貌只是隐约可见.到温度升高到650℃后内部 程，因此随着回火温度的升高板条组织很快合并 板条边界基本消失，出现了板条合并现象.700℃ 并消失，合并过程可以从图4(c),(d)看出钢板经 回火1h后已经完全转化成了多边形铁素体，因 过550℃回火1h后，组织发生了较大改变，板条 而硬度随回火温度的升高而急剧降低 50 nm 100nm 100nm 图4(a)样品A中的位错；b)样品A550℃回火1h后的组织；c)和(@)分别是样品B550和650℃回火1h的板条形貌 Fig.4 (a)Dislocation configuration in sample A;(b)Microstructure of sample A tempered at 550C for 1h;(c),(d)Lathes. of sample B tempered at 550 and 650'C for 1 h,respectively 4结论 金高强度钢的影响】.北京科技大学学报，2002,24 (2:129 (I)经过RPC工艺得到的钢板A不仅保留了 2 Wang X M,He X L,Yang S W,et al.Refining of inter- 原奥氏体中的高密度位错并且使这些位错受到 mediate transformation microstructure by relaxation pro 析出物的钉扎，在回火过程中由于析出物的钉扎 cessing[J].ISIJ Int,2002,42(12):1553 作用阻碍了这些位错的运动.经过RQ工艺得到 3王学敏，杨善武，尚成嘉，等，贝氏体组织细化的RPC 工艺参数优化[)].北京科技大学学报，2002,24(2： 的钢板B由于热激活作用使得位错脱离钉扎，位 173 错运动较容易.所以RP℃工艺钢板的回火组织稳 4王学敏，尚成嘉，杨善武，等.组织细化的RPC技术机 定性明显高于RQ工艺钢板. 理研究).金属学报，2002,38(6)：661 (2)经过RPC得到的钢板A随回火温度升高 5 Yang S W,Shang C J.Stability of ultra-fine microstruct- 组织变化很小，只有少量的板条组织合并现象： ures during tempering [J].J Univ Sci Technol Beijing, 经过RQ得到的钢板B,随回火温度升高板条组 2001,82):119 织很快合并，最终得到多边形铁素体平衡组织. 6 Yang S W,He X L.Strain induced precipitation at high temperature in (Nb,B)microalloyed steel [J].Mater Sci 参考文献 Eng1994,12(2:49 1尚成嘉，杨善武，王学敏，等，RPC对800MPa级低合 Thermo-Stability of Fine Non-Equilibrium Microstructure in Low Carbon Steel WU Huibin,YANG Shanwu,SHANG Chengjia,YUAN Shaoqiang,He Xinlai Materials Science and Engineering School.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACT The evolution of microstructure and hardness of low carbon plate steel during tempering at 500- 700C was investigated.The steel was manufactured by RPC (Relaxation-Precipitation Controlling phase trans- formation)technique.A part of the plate was reheated to 930C and held for I h before quenched into water(RQ) as a comparison.RPC plate softened slowly with the increase of tempering temperature and even became harder between 600 and 650C.Despite of a lower original hardness of RQ plate it softened faster during tempering.RPC steel and RQ steel are constituted by bainite and martensite microstructures before tempering.The microstructure of RPC steel did not change obviously except some bainitic laths coalescing were detected by means of SEM during tempering,while the boundary of bainitic laths of RQ steel disappeared quickly and finally formed polygonal ferrite forms accompanied a dramatic decrease in hardness.These results indicate that the thermo-stability of fine non- equilibrium microstructure is tightly related to their history. KEY WORDS microalloyed steel:bainite and martensite;tempering

匕 一 武 会 宾 等 低 碳 钢 中微 细 非 平 衡 组 织 的热 稳 定 性 一 加 热 相 当 于 通 过 热 激 活 使 得 位 错 脱 离 钉 扎 的过 程 ， 因此 随着 回火温 度 的升 高 板 条 组 织 很 快 合 并 并 消 失 ， 合 并 过 程 可 以从 图 。 ， 看 出钢 板 经 过 ℃ 回 火 后 ， 组 织 发 生 了较 大 改变 ， 板 条 形 貌 只 是 隐 约 可 见 到温 度 升 高 到 ℃ 后 内部 板 条 边 界 基 本 消 失 ， 出现 了板 条 合 并现 象 ℃ 回火 后 己 经 完 全 转 化 成 了多 边 形 铁 素 体 ， 因 而 硬 度 随 回火 温 度 的升 高 而 急 剧 降低 图 样 品 中的位错 样 品 ℃ 回 火 后 的组 织 和 分 别 是 样 品 和 回 火 的板 条形 貌 · ， ℃ ， 结 论 经 过 即 工 艺 得 到 的钢 板 不 仅 保 留 了 原 奥 氏 体 中 的 高 密 度 位 错 并 且 使 这 些 位 错 受 到 析 出物 的钉 扎 ， 在 回火过 程 中 由于 析 出物 的钉 扎 作 用 阻碍 了这 些 位错 的运 动 经 过 工 艺得 到 的钢 板 由于 热 激 活 作 用 使 得 位 错 脱 离钉 扎 ， 位 错 运 动 较 容 易 所 以 工 艺钢 板 的 回火 组 织 稳 定 性 明显 高 于 工 艺 钢 板 经 过 即 得 到 的钢 板 随 回火 温 度 升 高 组 织 变 化 很 小 ， 只 有 少量 的板 条 组 织 合 并 现 象 经 过 得 到 的钢 板 ， 随 回火 温 度 升 高 板 条 组 织 很 快 合 并 ， 最 终得 到 多边 形 铁 素 体 平 衡 组 织 参 考 文 献 尚成 嘉 ， 杨 善武 ， 王 学 敏 ， 等 对 级 低 合 金 高强 度钢 的影 响 北 京科 技大 学学报 ， ， 叭伯 ， ， 、 妞 ， ， ， 王 学 敏 ，杨 善 武 ， 尚成 嘉 ， 等 贝 氏体组 织 细 化 的 即 工 艺参 数优 化 」北 京科 技大 学 学报 ， ， 王 学敏 ， 尚成 嘉 ，杨 善武 ， 等 组 织 细 化 的 即 技 术 机 理 研 究 金 属 学报 ， ， ， 一 」 ， ， ， 困 ， ， ， 一 一 砰 产扮 ， ， 月月刃 儿 ， 以搜 ， ” ， ， ， 一 一 血 即 七刀 ， 爪 一