低碳锰钢中周期性带状组织

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1993.01.012 第15卷第1期 北京科技大学学报 Vol.15 No.1 1993年1月 Journal of University of Science and Technology Beiang Jan.1993 低碳锰钢中周期性带状组织 刘国勋·关卓明* Notis M R** Marder A R** 摘要：用扫描电镜和电子探针研究了低碳锰钢中的周期性带状组织。结果表明，在全部研究用 钢中，钢锭经热轧后均出现这种组织，其严重程度随钢的成分而异，并随坯到带加工顺序而增 加。带状组织与锰的显微偏析等因素有关。适当的调整碳锰比及形成横跨铁素体带的转变产物 可降低带状组织的严重程度。 关键词：周期性带状组织，显微偏析，碳锰比，低锰碳钢 Periodic Banding Structure in Carbon Manganese Steels Liu Guoxun'Guan Zhuoming'Notis M R*'Marder 4 R' ABSTRACT:Periodic banding phenomena in carbon manganese steels with three different composition levels of Mn and four different levels of carbon have been studied by SEM and microprobe analysis.The experimental results showed that:In all the alloys studied,band- ing formed after hot rolling of the ingot,but the severity of banding varied with composi- tion;Formation of banding is related to microsegregation of manganese in the ingot and hot band;The severity of banding can be reduced by (a)properly adjusting carbon and manganese and(b)by the formation of transformed products breaking through the ferritic bands. KEY WORDS:banding,microsegregation,carbon /manganese ratio,carbon manganese steel Remy1)曾指出钢中的带状组织来源于钢在凝固过程中形成的树枝状偏折。业已证 明，钢经加工后的带状组织是树枝状偏析及杂质元素造成的直接结果c2:。Bastien及合 作者2-3)研究了磷及其在奥氏体分解时与碳的相互作用对带状组织产生的影响。随后的 研究表明钢中的合金元素可对合金钢中的带状组织起重要作用4)。 钢在凝固时形成的树枝状偏析在一定程度上依赖于：凝固的类型（共晶、围晶、单相 1992-06-17收稿 *北京技大学(University of Science and Technology Beijing) **美国里海大学(Department of Metallurgy and Materials Engineering,Lehigh University) 第一作者刘国勋男63教授

第 巧 卷 第 1 期 1 9 93 年 1 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o o rna l o f U n i ,.e sr i yt o f s e i e n e e a n d 介 e h n o I o ’gy B e球n g V o l . 1 5 N o 一 1 J a n . 19, 3 低碳锰钢 中周 期性带状组织 刘 国 勋 * 关卓明 ` N o t i s M R * * M a r d e r A R * 冰 摘要: 用扫描 电镜和 电子探针 研究 了低碳锰钢 中的周期性带状组织 。 结果表明 , 在全部研究用 钢 中 , 钢锭经热轧后均 出现这种组织 , 其严重程度随钢的成分而异 , 并随坯到带 加工顺序而增 加 。 带 状组织与锰的显微偏 析等 因素有 关 。 适当 的调整碳锰比 及形成 横跨铁素体 带的转变产物 可降低带状组织的严重程 度 。 关键词 : 周期性带状组织 , 显微偏析 , 碳锰 比 , 低锰碳钢 P e r i o d i e B a n d i n g S t r u c t u r e i n C a r b o n M a n g a n e s e S t e e l s L iu G 粉 o x u n . G u a n hZ u o , ” ’li : g * o\TJ r is 汀 R 角 由 M a r de r 注 R ’ * A B S T R A C T : P e ir o d i e b a n d i n g P h e n o m e n a i n e a r b o n m a n g a n e s e s t e e l s w i t h t h r e e d i fe r e n t e o m p o s i t i o n l e v e l s o f M n a n d fo u r d i fe r e n t l e v e l s o f e a r b o n h a v e b e e n s t u d i e d b y S E M a n d m i e r o p r o b e a n a ly is s . T h e e x P e r加 e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t : I n a ll t h e a ll o y s s t u d i e d , b a 力 d - i n g fo mr e d a ft e r h o t r o lli n g o f t h e in g o t , b u t t h e s e v e r i t y o f b a n d i n g v a ir e d w i th e o m p o s i · t i o n : F o mr a t i o n o f b a n d in g 1 5 r e l a et d t o m ic r o s e g r e g a t i o n o f m a n g a n e s e i n t h e i n g o t a 毛d h o t b an d : T h e s e v e ir yt o f b a n d in g e a n b e r e d u e e d b y ( a ) p r o p e r l y a d j u s t i n g e a r b o n a 记 m a n g a n e s e an d ( b ) b y t il e fo n a it o n o f tr a n s fo 皿 e d p r o d u e t s b r e a k i n g t h r o u g h t h e fe r r iit e b a n d s . K E Y W O R D S : b a n d i n g , m i e r o s e g r e g a t i o n , e a r b o n / m a n g a n e s e r a t i o , e a r b o n m an g a n e s e S t e e l R 已m y 〔`〕 曾指出 钢 中的带状组 织来 源于钢在 凝 固过 程 中形 成 的 树枝状 偏折 。 业 已证 明 , 钢经 加工后 的带状组织 是 树枝状偏析及杂质 元 素造 成的 直接 结果 〔 2二 。 B as iet n 及合 作者 〔2 一 3〕 研究了磷 及其在 奥氏体分解时 与 碳的相 互作用 对带状 组 织产 生 的影响 。 随 后为 研 究表明钢 中的 合金元素可对合金钢 中的带状 组织起重要作用 : 4 一 ’ 二 。 钢 在凝 固时形成 的树枝 状 偏析在一 定程 度上 依赖于 : 凝 固的 类 型 (共晶 、 围 晶 、 单棍 199 2一 0 6一 17 收稿 . 北京科技大学 (U n i v e sr i ty o f s e i e n e e a n d T e e h n o l o gy B e i乡n g ) · * 美国里海大学 (D e p a rt m e n t o f M e t a l l u 铭 y a n d M a t e ir a l s En ig n e e r i n g , L e h ig h U n i v e r s i yt ) 第一作者 刘国勋 男 63 教授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1993. 01. 012

·68· 北京科技大学学报 1993.No.1 分离)、铸锭的冷却速度、偏析元素在固相与液相之间的平衡分配系数〔6)等。因此，凡 是影响树枝偏析的因素都会对带状组织产生影响。 在硫、磷含量较低的碳素钢中，带状组织的出现主要是由于锰的树枝偏析及其与碳的 相互作用。此研究的目的是探讨在不同碳含量水平上锰对带状组织的彩响，为合金设计提 供依据。 1 实验过程 研究用钢在真空感应炉中治炼，烧铸成重量为45kg、截面边长为14.6cm的方锭。将 锭轧制成厚度为1.78cm厚的钢坯，开轧温度为【200-1230℃，终轧温度为788℃。将 钢坯继续热轧成厚度为2.54mm的钢带，开轧温度为1150℃，终轧温度为700-760℃， 钢的化学成分设计成4个碳等级3个锰等级。钢铸、钢坯、钢带的化学成分列于表1中。 表1钢的化学成分 Table 1 Chemical composition of the steels. 钢号 钢锭 钢坯 钢带 C Mn Mn Mn 35A 0.046 0.50 0.046 0.48 0.043 0.049 35B 0.047 0.98 0.045 0.98 0.041 0.094 36B 0.11 0.52 0.089 0.51 0.091 0.49 36B 0.10 1.01 0.094 1.01 0.089 0.98 37A 0.16 0.50 0.13 0.50 0.14 0.51 37B 0.16 0.98 0.14 0.97 0.13 1.00 38A 0.21 0.52 0.18 0.50 0.18 0.50 38A 0.21 1.04 0.18 1.02 0.18 1.04 39A 0.055 1.49 0.05 1.5 0.046 1.50 39B 0.10 1.47 0.095 1.46 0.092 1.47 40A 0.15 1.47 0.13 1.48 0.13 1.51 40B 0.21 1.46 0.19 1.51 0.19 1.51 钢锭、钢坯、钢带的显微组织用光镜、扫描电镜和透射镜观察。珠光体带及铁素体条 带中的锰含量，用电子探针(Superprobe733)测量。在每一试样中，分别在铁素体区域及 珠光体区域中至少各测量25点。珠光体的数量及带状组织的线密度以定量金相统计测 定，其置信度为95%。带状组织的线密度定义为沿垂直条带长度方向每1mm上的条带数 目。 2实验结果 2.1显微组织观察 在钢锭横截面上观察到的显微组织是均匀的。沿钢锭的宽度，在中心，边缘及1/4 处测量珠光体的体积百分数表明，3种位置的珠光体量的差别在2%内，除珠光体和铁素

· 6 8 · 北 京 科 技 大 学 学 报 , 93 1 .N .o 1 分 离 ) 、 铸 锭的冷 却速度 、 偏 析元素在固相 与液 相之 间的 平 衡分配 系数 〔 6 一 吕〕 等 。 因此 , 凡 是影响树枝 偏 析的 因素都会 对 带状 组 织产 生 影响 。 在 硫 、 磷 含 量较低的 碳素钢 中 , 带状组 织的 出现主 要是 由于 锰的 树枝偏析 及其与碳的 相互 作用 。 此 研究的 目的 是 探讨在不 同碳含量 水 平上 锰对 带状 组 织的 影响 , 为 合 金 设计提 供依据 。 1 实验过程 研究用钢在 真空感 应炉 中冶 炼 , 烧铸 成 重量 为 4 5 k g 、 截 面 边长为 14 . c6 m 的 方锭 。 将 锭 轧 制成厚 度为 l . 7 c8 m 厚的 钢坯 , 开 轧 温 度为 1 2 0 0 一 1 2 30 ℃ , 终轧 温 度为 7 8 ℃ 。 将 钢 坯 继续 热 轧成厚 度为 2 . 54 m m 的 钢带 , 开轧 温 度为 1 150 ℃ , 终轧 温 度为 7 0 一 7 60 ℃ , 钢的 化学成 分 设计成 4 个碳等 级 3 个 锰 等级 。 钢 铸 、 钢 坯 、 钢带的 化学 成分 列 于表 1 中 。 表 1 钢 的化 学成分 T a bl e 1 C h弓贝 l e a l e o m P o s i t i o n o f th e s t e e l s , % 钢号 钢锭 钢坯 钢带 C M n C M n C M n 3 5 A 35 B 3 6 B 36 B 3 7A 3 7 B 3 8 A 3 8 A 3 9A 3 9 B 4 0A 4 0 B 0 . 0 4 6 0 . 0 4 7 0 . 1 1 0 . 10 0 . 16 0 . 16 0 . 2 1 0 . 2 1 0 . 0 5 5 0 . 10 0 . 1 5 0 . 2 1 0 . 5 0 0 . 9 8 0 . 5 2 1 . 0 1 0 . 50 0 . 9 8 0 . 5 2 1 . 0 4 1 . 4 9 1 . 4 7 1 . 4 7 1 . 4 6 0 . 04 6 0 . 0 4 5 0刀 89 0 . 0 94 0 . 13 0 . 14 0 . 18 0 . 18 0 . 0 5 0刀9 5 0 . 13 0 . 1 9 0 . 04 3 0 . 04 1 0 . 0 9 1 0 . 0 89 0 . 1 4 0 . 1 3 0 . 1 8 0 . 18 0 . 04 6 O 一 09 2 0 . 1 3 0 . 19 0 . 0 4 9 0 . 0 94 0 . 4 9 0 . 9 8 0 . 5 1 1 . 0 0 0 . 50 1 . 0 4 1 . 50 1 . 4 7 1 . 5 1 1 . 5 1 峙月 内石只é里, O 产尸」 .- n八仆óù 住.0L19702.5468515 钢 锭 、 钢坯 、 钢带的 显 微组 织 用光 镜 、 扫描电镜和透 射镜 观察 。 珠 光体带 及铁素体条 带 中的 锰 含 量 , 用 电子探针 ( S u p er rP o b 。 7 3 3) 测 量 。 在 每一 试样 中 , 分 别在 铁 素体区 域及 珠 光 体区 域 中至 少 各 测 量 25 点 。 珠 光 体的 数量 及 带 状 组 织 的 线 密度 以定 量 金 相 统计 测 定 , 其置信度为 95 % 。 带状组织 的线 密度定义为 沿 垂直条带 长度方向每 l m m 上 的条带 数 目 。 2 实 验 结 果 2 . 1 显微组织观察 在钢 锭 横截面 上观 察到 的 显 微组 织是 均 匀的 。 沿 钢锭的宽度 , 在 中心 , 边缘及 l / 4 处 测 量珠 光 体的体积百分 数表 明 , 3 种位置 的 珠光 体量 的 差别在 2 % 内 , 除 珠 光 体和铁 素

Vol.15 Nol 低碳锰钢中周期性带状组织 ·69· 体外，未发现其他显微组织。珠光体的含量随碳、锰含量而变化。图1表明，锰含量为 1.5%的钢中，当碳含量由0.05%增加到0.2%时，珠光体量由7.22%增加到84.18% 实验结果表明，所有钢经热轧后带状 90 组织随形变量的增加而增（比较坯与带的差 野空 80 1 0.5%Mn 异)，见图2、图3。若将沿垂直带状组织 21.0%红 31.5%M 方向1cm中的条带数作为描述带状组织的 70 严重程度的参数，在一定的锰含量下，此 花 参数随碳含量的变化如图4所示。在3个 0 锰含量水平的范围内，带状组织的严重程 40 度随碳量增加而增加，并于0.1%-0.15% 左右达到极大。在4个碳含量水平范围 内，带状纽织的严重程度随锰量的增加而 20 连续地增加，如图6所示。若将碳当量 10 (C%+Mn/30)与条带线密度作图，曲线 0 0 0.05 0.10.150200.25 走向与随C%的变化走向一致。 C% 在高放大倍数下，观察了条带的组织 图1钢中珠光体量与碳量关系 组成，发现除铁素体与珠光体外，尚有 Fig.1 Pearlite(%)in ingot versus C% 少量退化珠光体、纤维状珠光体、粒状珠光体等，如图7。在这些组织中的碳化物成分与 片层珠光体中的一样，均为(Fe,Mn)C,未见其他类型的碳化物。 由图2-图4可见到，对应一定的锰含量，在出现横跨铁素体带的“搭桥”现象出现之 前，带状密度随碳量而增加。在碳、锰较高的钢中，搭桥现象使带状组织的线密度减少： 00m 33m e 图2试样的显微组织(0.5Mn、01C) Fig.2 Microstructure of the ingot,slab and hot band 图5表明珠光体总量与带状的关系，由图可见，带状密度随珠光体量增加达到一极大 值后下降。此峰值随钢中锰含量的增加而增加，条带密度达峰值后下降，下降原因是“搭 桥组织”造成的。此现象表明一定数量的珠光体在条带中出现后，珠光体转变将在全部空 间中发生

V o l . 1 5 N 心 低碳锰钢 中周期性带状 组织 体外 , 未发 现其他显 微组织 。 珠 光 体 的 含 量随 碳 、 锰 含 量而 变化 。 图 1 表 明 , 锰含量为 1 . 5 % 的 钢中 , 当碳 含量 由 O , 05 % 增 加 到 0 . 2 % 时 , 珠光体量由 7 . 2 % 增加到 84 . 18 % 。 攀 . 耸欲货 实验结果表 明 , 所有钢 经热轧 后带 状 组 织随 形变量 的增加 而增 (比较 坯 与带的 差 异 ) , 见 图 2 、 图 3 。 若将 沿 垂直 带 状组 织 方向 I c m 中的条 带数作为 描述带 状 组织 的 严重 程 度的 参数 , 在一 定的锰 含量 下 , 此 参 数随碳 含量 的变 化如 图 4 所 示 。 在 3 个 锰 含量 水平 的 范围 内 , 带状组 织 的 严 重 程 度随 碳 量增加 而增 加 , 并于 0 . 1% 一 0 . 15 % 左 右 达 到 极 大 。 在 4 个碳 含 量 水 平 范 围 内 , 带 状组 织的 严 重 程 度随 锰 量 的 增加 而 连 续 地 增 加 , 如 图 6 所示 。 若 将 碳 当 量 (C % 十 M n / 30 )与 条 带 线 密 度 作 图 , 曲 线 走 向与随 C % 的 变化走向一 致 。 在高放大 倍数下 , 观察了条 带 的 组 织 组成 , 发现除铁素体与珠光 体外 , 尚有 1 0 5% M n ! {.,} 一 呈 2 1 . 0% 入色 3 1 . 5% M卫 一 /一 一 一 / , 刁 … { 一 { 一 一 7 … 。 : 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 15 0 . 20 0 . 乃 C % 图 1 钢 中珠光体里与碳趁关 系 F i g . 1 p e a r li t e (马乞) i n i n g o t 、 , e sr u s C 马么 少量退 化珠 光体 、 纤 维状 珠光 体 、 粒状 珠光 体等 , 如 图 7 。 在 这 些组 织 中的碳 化物成 分与 片层珠光 体 中的一样 , 均 为 (F e , M n) 3 C , 未见 其 他类型 的碳化 物 。 由图 2 一 图 4 可 见 到 , 对应 一定 的 锰含量 , 在出现横跨铁 素体 带的 “ 搭桥 ” 现象 出现之 前 , 带状 密 度随碳量而增加 。 在碳 、 锰 较 高的钢 中 , 搭桥 现象 使 带状 组织 的线 密 度减少 : 图 2 试样 的显 微组织(0 . 弘如 、 雌 )C F i g · 2 入I i e r o s t ur e ot r e o f ht e i n g o t , s l a b a n d h o t b a n d 图 5 表 明珠光 体总量 与带状 的关 系 , 由图可见 , 带状 密度 随珠 光 体量增 加达 到一 极大 值后下 降 。 此峰 值随 钢 中锰 含量 的 增加 而增加 , 条带密度 达 峰值后 下 降 , 下 降原 因是 “ 搭 桥组织 ” 造成 的 。 此 现象表明一定数量的珠 光 体在条 带 中出现后 , 珠光 体转变将 在全部空 间 中发 生

·70· 北京科技大学学报 1993.No.1 100um b 00m 图3钢坯试样的显微组织(0.5Mn,0.5、0.10、0.15C) Fig.3 Microstructure of the slab 100m 33m e 图40.5Mn的钢坯含0.05C、0.10C、0.15C的显微组织 Fig.4 Microstructure of the slab of the 0.5Mn alloys with carbon additions:0.05C. 0.15C,0.20C Mn%=05 ·朝压 Mn%=1.0 Mn%=1.5 9例老 40 目 20 0.050.100.1500.050.100.1500.050.100150.20 Ce 图5每毫米中条带数与碳量的关系 Fig.5 Number of band/mm versus %C at different Mn levels

7 0 北 京 科 技 大 学 学 报 19 3 . N o . 1 图 3 钢坯 试样的显微 组 织 ( 0 . SM n , 0 . 5 、 0 . 1 0 、 0 . 15C ) F i g . 3 M i e r o s t r u e t u r e o f t h e s l a b 图 4 0 5M n 的 钢坯 含 0 . 0 5 C 、 0 . 10 C 、 0 . 15 C 的显微组 织 F i g . 4 M i e r o s t r u e t u r e o f t h e s l a b o f t h e 0 . SM n a ll o y s w i t h c a r b o n a d d i t i o n s: 0 . 0 5 C 0 . 1 SC , 0 . 2 0 C M力% 二 a s 俐坯 } 月带 l M n % = L . 0 M n % = ! . 5 .0 0 5 0一 0 Q 15 0 Q 05 0 . 10 0 . 1 5 O Q 厉 活0 . 10 .0 15 Q 为 刃加 奚截攀匹\三三 Q % 图 5 每毫米 中条 带数 与碳量 的关 系 F ig . 5 N u m b e r o f b a n d / m m v e r s u s % C a t d i fe r e n t M n l e v e l s

Vol.15 Nod 低碳锰钢中周期性带状组织 ·71· 50 越轧钢带 005%C 2-010%C 22锰在铁素体条带与珠光体条带中的分布 40 3-015%C 4-020%C 用电子探针测定了相互交替条带组织中的锰 含量，经ZAF校正。激发电压为15keV, 3 2 束流为20mA.采集时间为90s。试样经轻 30 度浸蚀，探针标样为含锰1.S9%的稀薄固 溶体合金，用容量分析得其成分。 10 珠光体带中的平均锰量稍高于铁素体条 带中的平均锰量，两值之差为上Mn,图8 0 0.5 中表示出随钢中碳、锰的增加，△Mn增加 0 1.01.5 n,% 的趋势。 图6每毫米中条带数与%In量的关系 Fig.6 Number of band/mm versus%Mn at different C levels a 图7非片状珠光体(a-1.5Mn,0.2C;b-1.5Mm,0.15C;c-1.01a,0.2C) Fig.7 Nonlamellar structures 05Bc%=004 cC%=01 C%■Q18 050 bC%=0.09 0蜗促 ●蜗坯 040 0钢带 80.30 0.20 0.10 ∠8 0 0 0.51.01.500.5101.50 0.51.01.50 051.01.5 Mn. 图8△Mn与%Mn的关系 Fig.8 Delta Mn versus %Mn

V o l . 15 N 吐 低碳锰钢中周 期性带状 组织 热轧钢 带 1一 Q 0 5马` C 2一 公 10% C 刃 } 3一 Q 15叭 e 4一 0 . 加 % C ! - C302 一少 戈卫戴州钾红介任口 全子豆~ 0 . 5 0 1 . M 几 % 图 6 每毫米 中条带数与% M n 量的关系 .2 2 锰在铁素体条带与珠光体条带 中的分布 用电子探针测定 了相互交 替条 带组 织 中的 锰 含 量 , 经 Z A F 校 正 。 激 发 电 压 为 15 ke ;\, 束 流为 ZOm A . 采集时间为 兜 s 。 试样经轻 度 浸 蚀 , 探 针标 样 为 含锰 .1 8 夕马毛的 稀 薄 固 溶体 合 金 , 用容量 分析测 得其 成分 。 珠 光体带 中的平均 锰量稍 高于 铁素 体 条 带 中的 平 均 锰 量 , 两 值之差 为 之 M n 。 图 8 中表 示出随 钢 中碳 、 锰 的 增 加 , 匕 M n 增 加 的趋势 。 F i g · 6 N u m be r o f b a n d / / m m v e r s u s o/ 乞入I n a t d i f【e r e n t C l e 、 ℃ 15 图 7 非 片状珠光体 (a 一1 . 5入4 n , 0 . 2 e ; b一 1 . S M n , o 一 S C ; 。一 1 . 0、 i n , o . Z C ) F i g . 7 N o n l a m e l l a r s t r u e ot r e s I b c 吮 = 。 . 亩 c c % = a 13 一} d e 吭 一 。 . ;宫 { a C% = 住 04 J O 钾弓锭 l l} Z . 翎弓坯 { i — 0 件勺带 一 1 } - , 】 } 瓦 户 { d } 品 l { 4 刁 1 0 .0 5 1 . 0 5 0 Q S 1 . 0 1 . 5 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 0 Q 5 1 . 0 1 . 5 M n , % 图 8 △M n 与% M n 的关系 F i g . 8 D e l ta M n v e sr u s % M n