带状组织

带状组织一、带状组织定义若钢在铸态下存在严重的偏析和夹杂物，或热变形加工温度低，则在热加工后钢中常出现沿变形方向呈带状或层状分布的显微组织，称为带状组织。低碳合金钢中的带状组织是指沿钢材轧制方向形成的，以先共析铁素体为主的带与珠光体为主的带彼此堆叠而成的组织形态[6]。二、带状组织的形成机理由于钢液在铸锭结晶过程中选择性结晶形成化学成分呈不均匀分布的枝晶组织，铸锭中的粗大枝晶在轧制时沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一致，从而形成碳及合金元素的贫化带(实质上是条)和贫化带彼此交替堆叠，在缓冷条件下，先在碳及合金元素贫化带(过冷奥氏体稳定性较低)析出先共析铁素体，将多余的碳排入两侧的富化带，最终形成以铁素体为主的带；而碳及合金元素富化带(过冷奥氏体稳定性较高)，在其后形成以珠光体为主的带，因而形成了以铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此交替的带状组织。成分偏析越严重，形成的带状组织也越严重。由于带状组织相邻带的显微组织不同，它们的性能也不相同，在外力作用下性能低的带易暴露出来，而且强弱带之间会产生应力集中，因而造成了总体力学性能降低，并具有明显的各向异性。三、带状组织的形成条件带状组织分为一次带状组织，和二次带状组织。一次带状组织由钢锭浇铸时树枝状偏析造成，二次带状组织由轧制或锻造过程中产生的。形成带状组织的原因各不相同，归纳起来大致有2种原因：a．由成分偏析引起的带状组织。即当钢中含有磷等有害杂质，压延时，杂质沿压延方向伸长。当钢材冷至Ar3以下时，这些杂质就成为铁素体的核心使铁素体形态呈带状分布，随后珠光体也呈带状分布。这种带状组织很难用热处理的方法加以消除。b．由热加工温度不当引起的带状组织，即热加工停锻温度于二相区时（Ar1和Ar3之间），铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体被割成带状，当冷却到Ar1时，带状奥氏体转化为带状珠光体，这种组织可以通过正火或退火的方法加以消除。四、带状组织对金属基体性能的影响带状组织的存在使钢的组织不均匀，沿带状组织的方向明显优于其垂直方向，并影响钢材性能，形成各向异性，特别是横向塑性和韧性明显降低，使材料的加工性能恶化。降低钢的塑性、冲击韧性、可切削性和断面收缩率，造成冷弯不合、冲压废品率高、热处理时钢材容易变形等不良后果，还会增大氢致开裂倾向[1]，压力加工时易于从交界处开裂。由于带状组织部位与基体硬度的差别，在拉伸或扭转加工变形时会产生应力集中，以致在带状组织与基体交界处生成裂纹，从而造成拉拔或捻股断裂。这就是带状组织对盘条的拉拔性能和扭转加工造成不利影响的原因。1、带状组织对于原材料而言，主要表现为材料的各向异性，通常纵向强度高于横向强度；2、对于需要后续热处理的零件，带状组织轻则会导致热变形过大，重者会造成应力集中，甚至出现裂纹。这是因为，零件在奥氏体化过程中，高碳的区域容易奥氏体化，而贫碳的区域则需要更高的奥氏体化温度，从GS线的成份温度变化可以看出其规律（比如在0.0218成分点和0.77成分点，其AC3温度相差多大），带状组织的主要危害在于组织遗传和应力集中。带状组织的存在使钢的塑性大大下降。带状组织降低钢带塑性的机制可以认为是在拉伸变形过程中，当应力超过钢带的屈服极限时，铁素体条带首先发生塑性变形，滑移系与外力成45°的位错源首先开动，导致沿45°方向滑移。但与铁素体平行相问分布的珠光体或索氏体条带起强化作用，致使铁素体滑移系的位错运动受阻。随着外力的加大，在两个条带之间产生不均匀变形，同时在条带问界的应力集中处萌生裂纹，使钢带的塑性下降[5]。分析结果表明，要消除低碳锰钢冷轧板的带状组织，必须从钢的冶炼浇注环节人手。可采取控制钢水的过热度，加大电磁搅拌等措施，以减轻铸坯的中心偏析缺陷[5]。带状组织对后道工序的影响对切削加工的影响20CrMoH钢锻件的原始组织应为呈等轴状均匀分布的珠光体和铁素体，带状组织是金属基体上分布着软而韧的铁素体条带，将加速刀具磨损，恶化工件表面粗糙度[7]。对渗碳处理的影响如果预备热处理未能将工件中的带状组织消除掉，则在渗碳时，严重的带状组织会造成渗碳层深度和硬度不均匀。这主要是钢材中存在合金元素的偏析，致使不同区域的奥氏体稳定性不同，导致渗碳淬火后得到的残余奥氏体量不同，使硬度不均匀。同时，由于组织不均匀，成份偏析，致使渗碳层不均匀，即沿铁素体的渗碳层浅，沿珠光体的渗碳层深[7]。对淬火质量的影响对带状组织严重的亚共析钢工件进行淬火时，在正常的淬火温度下，局部区域仍町能处在奥氏体、铁素体两相区，淬火后不仪会出现软点，还会出现奥氏体成分的不均匀，加剧同一零件各部分组织转变的不同时，增大了淬火应力，从而增大了零件的淬裂倾向[7]。带状组织对塑韧性的影响众所周知，带状组织具有显著的方向性，且带状组织容易造成在变形过程中的应力集中，甚至出现裂纹。由于带状组织的晶粒取向的一致性，有利于变形的发展，随着应力的增加，形变量的积累，滑移面上的位错容易越过晶界，从而加速裂纹的扩展，导致材料的断裂；而严重的带状组织往往伴随着异常组织或夹杂物的出现，则容易造成应力集中，在材料变形过程，则容易在应力集中位置形成微裂纹，另外，当裂纹沿着带状晶的晶间扩展时，微裂纹不断扩大、聚合，从而形成宏观裂纹；铁素体一珠光体带状级别越高，则对应的铁素体、珠光体变形程度越大、偏聚越大，由于铁素体和珠光体的塑韧性存在差异，带状偏析就会加剧材料的塑韧性变差；从带状组织的图片也可看到，严重的带状组织往往伴随着铁素体晶粒尺寸的不均匀，导致各部位的性能不一致，在发生变形时容易在晶粒粗大的、脆弱的部位首先形成微裂纹，从而导致断裂，材料的脆性转变温度与晶粒的大小有很大关系：Tk=A-md-1/2(式中，A为除晶粒细化外的其它因素对冲击韧脆转变温度的影响，后一项为晶粒尺寸对冲击转折温度的影响，m为比例常数)，可见严重的带状组织的随机分布造成了晶粒的不均匀性，从而导致冲击值的波动。因此，带状组织是脆弱的部位，是裂纹萌生的敏感区域，有利于裂纹的形成及扩展，带状组织越严重，对塑韧性的危害就越大[11]。（1）对冲击韧性的影响（2）对延伸性能的影响（3）对冷镦性能的影响（4）对硬度的影响五、影响带状组织的因素影响带状组织的因素很多，但是带状程度主要取决于合金元素的枝晶偏析、冷却速度（连续冷却）、奥氏体晶粒大小，一般认为，锰的偏析是钢中产生带状组织的主要原因[1]。（1）一次带状组织的影响因素铸坯在凝固过程中存在固相区、固液两相区、液相区3个区域，铸坯凝固过程中成分偏析发生在固液两相区，在两相区内进行着形核和晶核的长大过程，铸坯的凝固就是两相区由固相区向液相区不断推进的过程，两相区的宽度主要取决于钢液的结晶温度范围和凝固前沿熔体中的温度梯度；两相区宽说明冷却强度小，固液界面温度梯度小，凝固速度慢，选分结晶进行的比较充分，成分偏析较严重，尤其是晶间偏析可能发展；相反，如果两相区宽度窄，说明冷却强度大，固液界面温度梯度大，凝固速度快，选分结晶进行不充分，碳及其它合金元素来不及扩散就已经凝固，铸坯中的成分不均匀性将得到改善，碳及合金元素的贫化带、富化带差异程度得到改善，降低了因成分不均匀对铁素体和珠光体析出分布的不利影响，轧材带状组织最终得到改善；而钢液凝固过程中两相区的冷却强度及温度梯度取决于连铸过程中二冷水比水量的大小，二冷比水量大，则两相区冷却强度大、温度梯度大，成分偏析小，轧后带状组织级别低；二冷比水量小，则两相区冷却强度小、温度梯度小，成分偏析严重，轧后带状组织级别高[2]。（2）二次带状组织的影响因素冷却速度增大会使带状程度减轻。目前国内外关于冷却速度对带状组织的影响机制已经做了很多的研究，但结论各不相同，因此其作用机制还不明确。Thompson等认为，随着冷却速度的增大，先共析铁素体形核的驱动力增大，贫溶质区与富溶质区的Ar3温度差对带状组织的影响会减小；Rolf等认为碳由贫溶质区向富溶质区的扩散距离对带状程度有很大影响，而碳扩散的距离随冷却速度的增大而减小；Kirkaldy等认为临界冷却速度主要由贫溶质区与富溶质区的Ar3温度差和化学偏析带间距决定；但是Majka等认为冷却速度的增大会使贫溶质区与富溶质区的Ar3温度差减小，从而使带状程度减轻[1]。关于带状组织产生的原因，Bastien提出：由于合金元素很难扩散均匀，在轧后的冷却过程中，合金成分会使Ar3温度升高(如Si、P等)或降低(如Mn、Cr等)，先共析铁素体会优先在Ar3温度较高的地方产生，形成铁素体所排出的碳就会扩散到Ar3温度较低的地方，使该区域的Ar3温度进一步降低，导致在随后冷却的过程中直接发生珠光体转变。因此，贫溶质区与富溶质区的Ar3温度差异是带状组织形成的前提条件[1]。终轧温度对带状组织的影响是复杂的，因为终轧温度对组织的转变和晶粒度等都起着极其重要的作用。热塑性变形使奥氏体的自由能和热力学不稳定性因晶格畸变而升高，同时增大奥氏体向该条件下更稳定相分解的趋势。对于亚共析钢，低于Ar3点以下，析出相是铁素体，热变形的作用会使奥氏体分解的临界点提高，塑性变形对奥氏体固溶行为的作用可与冷却的影响相比，由于奥氏体固溶体过饱和的结果，在温度降至Ar3与Ari之间，冷却导致奥氏体分解成铁素体，与冷却不同的是变形促使固溶到奥氏体中的原子扩散移动增加，这就是加速了奥氏体的分解。因此，凡是提高奥氏体品格畸变的轧制参数，都应当促使奥氏体向铁素体转变临界点提高，即变形诱导γ―α转变。终轧温度无疑对亚若析钢γ―α的开始转变温度产生影响。加热过程中对组织的影响因素主要包括加热速度、加热温度、保温时间以及钢中的含碳量及合金元素、原始组织等。在快速加热情况下，向奥氏体转变的过热度很大，使得组织中铁素体、珠光体向奥氏体转变的速度加快，尤其在温轧珠光体边缘附近，由于碳原子的扩散距离短，使得该位置的奥氏体转变很快进行，同时在很短的保温时间内一定程度上抑止了转变后奥氏体的长大过程[3]。冷却速度的增加，增大了相变驱动力，增加了形核点的数量，使相变更容易且在更短的时间内完成，由此可解释这种超细晶铁素体量随着冷却速度的提高而增多的现象[3]。(1)终轧温度过高或过低都会得到带状组织，速越慢组织越严重[8](2)终轧温度及冷却速度都对铁素体晶粒尺寸有影响，在冷却速度一定的条件下，铁素体晶粒尺寸随着终轧温度的升高而增大，且终轧温度越高，铁素体品粒尺寸增速越快；在终轧温度一定的条件下，铁素体品粒尺寸随冷却速度的加快而减小[8]。带状组织与成分偏析的关系高温均热可以消除带状，其基本原理是利用原子的扩散来达到钢坯中成分的均匀，假设沿着与带状正交的直线上成分的变化是正弦波形的，则任一点X处的浓度分布规律为：式中，cX为任一点X处的偏析元素浓度；c0为偏析元素的平均浓度；l为带状组织的偏析半波长。在恒定温度下经时间t后任一点X处的浓度可表示为：式(2)满足费克(Fick)第二定律：在极值X=0，X=l，处，c-c0=0；而当t=0时因此，结合式(2)、(4)知，当时，带状振幅为原来振幅的一个分数，f为带状组织减弱倍数，由式(5)得：式(6)两边取对数可得：由式(6)可知，带状组织减弱倍数f和加热时间及偏析间距l的平方成指数关系，当扩散系数一定时，若要减弱带状组织即增大f就必须延长加热时间t或者减小原始偏析间距l，其中偏析间距l的作用效果更显著；式(7)为达到所要求带状程度时所需加热时间与偏析间距的关系[10]。铸坯成分偏析强烈影响着带状组织的消除，在实际生产中要尽量减小枝晶间距。热轧过程中形成的组织偏析导致二次带状组织，实质上，二次带状组织仍然是凝固过程中成分的再次偏析，偏析组织影响着后期冷轧消除带状组织工艺。在相同的热轧后冷却条件下，热轧压下量大使珠光体等组织偏析半波长l减小，有利于后面热处理消除带状偏析，这和范建文等认为加大未再结晶区的钢材变形量可以减轻板材带状组织的结论一致[10]。六、改善带状组织的方法目前多数厂家把控制轧材带状组织级别的重点放在轧制或锻造的加热、冷却等工序上，但通过轧钢或者热处理对其进行改善的效果不明显，原因是合金元