热变形条件对一种Cr-Mn-Mo-B钢连续冷却贝氏体转变的影响

热变形条件对一种Cr-Mn-Mo-B钢连续冷却贝氏体转变的影响李星逸刘文昌郑炀曾(佳木斯大学)(燕山大学)管秀发刘月华(沈阳重型机器厂)摘要用THERMECMASTOR-Z试验装置研究了热变形条件对一种Cr-Mn-Mo-B钢连续冷却条件下贝氏体转变动力学及其产物形态的影响。试验结果表明，热变形温度对贝氏体转变开始温度的影响是非单调的，不同温度区间其变化规律不同，这一影响取决于热变形后奥氏体发生再结晶的程度。关键词贝氏体转变热变形连续冷却转变EFFECTOFHOTDEFORMATIONCONDITIONONCONTINUOUSCOOLINGTRANSFORMATIONOFBAINITEFORACr-Mn-Mo-BSTEELLIXingyiLIUWenchangZHENGYangzeng(JiamusiUniversity)(YanshanUniversity)GUANXiufaLIUYuehua(ShenyangHeavyMachineryWorks)ABSTRACTTheeffectofhotdeformationconditiononcontinuouscoolingtransformationofbainiteforaCr-Mn-Mo-BsteelhasbeenstudiedbymeansofTHERMECMASTOR-Z.Theexperimentalresultsshowthattheeffectofhotdeformationtemperatureonbainitetransformationtemperatureisnotmonotone.KEYWORDSbainitetransformation,hotdeformation,continuouscoolingtransformation贝氏体相变动力学一直是贝氏体研究中备受关注的问题，因为动力学上表现出的特征往往反映了特定的相变机制。目前，不同学派已用不同合金做过试验研究，并以各自所持的观点对试验结果作出相应的讨论和解释，但相互之间有明显的分歧，贝氏体相变动力学研究成为不同学派争论的焦点之一［1，2］。然而，在众多的文献中，奥氏体热变形对连续冷却条件下贝氏体转变行为的影响研究甚少。目前，采用控制轧制和形变热处理改善材料的力学性能和组织状态的新技术已广泛地得到研究和应用［3，4］。随着控轧贝氏体钢的开发，研究奥氏体热变形对贝氏体转变及转变机制、转变产物和性能的影响是非常重要的。本文用热模拟机研究了新研制的一种Cr-Mn-Mo-B钢的热变形条件对连续冷却条件下贝氏体转变动力学及其产物形态的影响，这为进一步研究其性能控制和微观机制以及合理地制定该钢的热轧工艺制度提供了理论依据。1试验材料及试验方法试验用材由沈阳重型机器厂提供，用150kg中频炉冶炼，浇铸成钢锭后锻成15～20mm的圆棒，经退火再切削成如图1所示的试样，试验用钢的化学成分(％)：0.27C，0.67Si，1.49Mn，1.29Cr，0.23Mo，0.024Ti，0.0021B，0.016P，0.028S，0.006N。试验研究了奥氏体热变形温度、应变速率对贝氏体连续冷却转变动力学的影响。将热变形的试样分别加热至同一奥氏体化温度(1200°C)，保温2min，然后以10°C／s的冷速分别冷却到不同的变形温度(1200、1100、1000、900、800、700、550°C)，以三种变形速率(0.01、0.1、1s-1)变形至同一变形量：ε＝0.8，然后以1°C／s的相同冷却速度冷至室温，测定相变开始温度。图1试样几何尺寸Fig.1Specimengeometry试验在THERMECMASTIR-Z热加工模拟机上进行，整个试验过程由计算机自动控制，各种数据的采集由计算机自动完成，并绘制成图表。2试验结果及讨论2.1热变形温度对贝氏体开始转变温度的影响从试验用钢奥氏体热变形温度与贝氏体转变开始温度(Bs)的关系曲线(图2)可以看出，热变形温度对Bs的影响不是单调的。热变形后在连续冷却过程中将发生静态回复与静态再结晶以及晶粒长大。研究发现，试验用钢在变形温度高于900°C时，在其随后1°C／s冷却过程中发生了完全再结晶及晶粒长大，而在低于此温度时没有充分发生静态再结晶［5］。图3给出了单位体积有效晶界面积(SV)与贝氏体转变开始温度(Bs)的关系曲线。贝氏体转变发生于过冷奥氏体中温区，铁和合金元素的原子已经很难进行扩散，而碳原子则保持着一定的扩散能力，这就决定了贝氏体转变的综合特点，即贝氏体转变是一个有碳原子扩散的“马氏体图2热变形温度对Bs的影响Fig.2EffectofdeformationtemperatureonBs图3有效晶界面积(SV)对BS的影响Fig.3EffectofSVonBs型”共格切变过程［6］。从本试验结果来看，在热变形奥氏体相变前能完成再结晶的情况下(900～1200°C)，随着奥氏体热变形温度的降低，相变前奥氏体晶粒减小［5］。若考虑碳原子的扩散，则随着晶粒的细化，单位体积有效晶界面积增加，故对扩散有利，即加速碳原子的扩散。从这一点出发，随着热变形温度的降低，则应该对贝氏体转变有加速作用，使得Bs升高，而试验结果恰恰相反。这说明在上述情况条件下，扩散对贝氏体相变并不占主导地位。由图2可以看出，在900～1200°C范围内，随着热变形温度的降低，贝氏体转变开始温度下降，这种现象的产生是由于随着热变形温度的降低，贝氏体相变前奥氏体晶粒尺寸变小，SV增大，使得在贝氏体转变中切变阻力增加，故表现出Bs下降。由图3可以看出，在本试验条件下，确实是随着SV的增加，Bs下降。因此可以证明，试验用钢在热变形奥氏体能完成再结晶的情况下，在热变形温度对贝氏体转变动力学的影响中占主导地位的是共格切变因素。然而，当热变形奥氏体从再结晶状态过渡到未再结晶状态时(900～550°C)，随变形温度的降低，贝氏体开始转变温度上升(图2)，产生这种现象的原因在于未再结晶状态下，贝氏体相变前奥氏体内部缺陷密度比再结晶状态下增多，这对碳的扩散有促进作用，从而促进了贝氏体转变，所以此时扩散因素占主导地位。2.2热变形温度对贝氏体组织形态的影响试验用钢在本试验条件下得到的组织为粒状贝氏体。金相分析表明(图4)，奥氏体热变形温度增高时，将出现不均匀的大块的岛状组织，随着热变形温度的降低，这种大块的岛状组织尺寸变小，数量增多，趋于均匀分布。然而，热变形试样的岛状组织并非单调地随变形温度发生变化，当变形温度从再结晶温度过渡到未再结晶温度时，又出现大块状不均匀的岛状组织，若进一步降低变形温度，则这种岛状组织尺寸变小，且趋于均匀分布。上述现象的产生与相变前奥氏体组织状态有关。因为随着奥氏体晶粒减小，晶界增多，晶界区的内吸附作用，此处偏聚较多的碳，形成数目更多的小岛，因而小岛的尺寸也减小；另外，随着热变形温度升高，贝氏体相变开始温度升高，使得转变时碳原子扩散更为充分，从而使小岛内的平均碳量升高，岛状组织变大，数量减少。对热变形试样进行透射电镜观察(图5)，由于热变形后连续冷却，所以在透射电镜下观察到并非单一的一种形态的贝氏体。经观察不同热变形条件下的贝氏体形态，发现每种变形条件下，绝大部分区域以板条状贝氏体为主，加少量的块状贝氏体，在局部地区有极少量的下贝氏体组织。对条块状贝氏体铁素体相上分布的孤立状条形和块形小岛进行衍射，斑点标定的结果表明，岛状组织的晶体结构为体心正方点阵(马氏体)和面心立方点阵(奥氏体)的混合组织，即所谓的M／A组织。3结论图4试验用钢金相组织照片Fig.4Opticalmicrostructureofteststeel(a)1200°C，＝0.1s-1；(b)1000°C，＝0.1s－1;(c)800°C，＝0.1s－1；(d)550°C，＝0.1s－1；(e)1000°C，＝0.01s－1；(f)800°C，＝1s－1(1)热变形温度对贝氏体转变开始温度的影响不是单调的，不同温度区间变化规律不同，这一影响取决于热变形后奥氏体发生再结晶的程度。(2)本试验条件下得到的组织为粒状贝氏体，随着热变形温度的降低，大块状岛状M／A组织尺寸变小，数量增多，趋于均匀分布。图5试验用钢的透射电镜照片Fig.5TEMphotoofteststeel(a)1100°C，＝0.1s－1；(b)900°C，＝0.1s－1；(c)800°C，＝0.1s－1；(d)1100°C，＝0.1s－1；(e)800°C，＝0.1s－1；(f)900°C，＝0.1s－1参考文献1HehemannRF,KinsmanKR,AaronsonHI.ADebateontheBainiteReaction.Met.Trans.,1972(3):1077.2PurdyGR,HillertM.OntheNatureoftheBainiteTransformationinSteels.ActaMetall.,1984(6):823.3DionneS,KrishnadevMR,CollinsLE.InfluenceofProcessingandCoolingRateontheTransformationKineticsandMicrostructureofBoronHSLASteel.ProceedingsoftheInternationalSymposiumonAcceleratedCoolingofRolledSteel.RuddleGE,CrawleyAF,Winnipeg.Canada:PergamonPress.1987,24～25(8)：71.4RobertsW,LidefeltH,SandbergA.HotWorkingandFormingProcesses.SellarsCM,DaviesGJ.London:TheMetalsSociety.1980,38.5李星逸，刘文昌，郑炀曾，等.一种Cr-Mn-Mo-B低碳低合金钢的热变形行为.热加工工艺，1994，(6)：14.6戚正风.金属热处理原理.北京：机械工业出版社，1987，113.