低碳钢铁素体显微结构研究

王 韧宋丽娜

(1.湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 410208;2.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128)

低碳钢铁素体显微结构研究

王 韧1、2宋丽娜1

(1.湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 410208;2.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128)

通过应用金相和电子显微分析，对含有微量非金属夹杂物的含钛低碳钢在不同冷却条件下的显微组织进行研究，发现铁素体精细的显微结构对钢的机械性能有显著影响。其中针状铁素体之间细小的马氏体的存在与数量对钢的抗拉强度和低温冲击韧性起关键作用。

针状铁素体;互锁特性;机械性能;马氏体体积分数

一、前言

针状铁素体显微组织由板条铁素体组合而来，而板条铁素体的形成是通过非均匀形核和奥氏体晶内相互激发形核。由于非均匀形核的多向性，使得长大的针状铁素体具有一种良好的互锁特性，这种特征不仅能提高钢的强度，而且能改善钢的韧性。近年来针状铁素体显微结构在焊接材料的应用以及将这种结构应用于低碳锻钢代替形变热处理得到广泛研究1，2，3。但针状铁素体显微结构的许多研究主要针对针状铁素体的体积分数对钢的性能影响等方面，而针状铁素体的转变趋势、铁素体板条之间未转变区域而后形成的马氏体或铁素体—碳化物聚集区对力学性能的影响被忽略4，5。本研究的目的就是要探讨针状铁素体显微组织中各种显微相对力学性能的影响。

二、实验材料及方法

用真空感应炉熔炼两组不同含碳含钛量的钢锭，钢锭试样的化学成份列于表1中，用1#、2#表示。钢中加入Ti是为了形成弥散的Ti203颗粒，起非均匀形核作用。试样在1250℃扩散退火，热轧成12mm钢板，连续冷却条件下奥氏体的分解用热膨胀仪检测。试样的热处理工艺如图1所示(3种不同冷却方式)，为获得最大铁素体体积分数，试样1和试样2冷却速度分别为4℃/s和1.5℃/s，等温淬火保温温度为500℃ ～520℃。用光学显微镜、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对显微组织进行鉴定。用500g的维氏硬度计测量硬度。1#进行拉伸和冲击试验，冲击韧性试样尺寸为10×10×55的夏氏标准试样，在室温和零下20℃分别进行测定，室温拉伸试样尺寸为Ф10 ×100。

表1 试样的化学成份%

图1 试样三种不同热处理工艺

三、结果与讨论

1.显微组织

图2表示试样1和试样2在1号工艺条件下的金相和SEM照片，由于碳具有稳定奥氏体的作用，获得最大针状铁素体体积分数的最佳冷却速度随含碳量而改变。图2b所示的一些多边形铁素体在奥氏体晶界形核，虽然用光学显微镜观察二种试样组织特征类似(如图2 a b)，但用更高倍率的SEM观察，就能清楚看到不同的显微结构，如图2c显示1号试样有细小的马氏体岛和少量的铁素体—碳化物聚集。而2号试样中由于具有更高的含碳量，因而产生了较多的珠光体和铁素体—碳化物聚集(见图2d)。

图2 试样在1号工艺条件下的显微组织(a c为1号试样、b d为2号试样)

图3表明1号试样分别用2号和3号工艺冷却，即在500℃左右用快冷和等温1小时后的SEM形貌，虽然光学显微组织与1号工艺非常相似，但比较图2c和图3c，不难发现用2号工艺冷却有更多的岛状马氏体，而且比1号工艺的马氏体更大。根据SEM形貌分析，在2号工艺条件下马氏体面积约为13%，而1号工艺条件为3%左右。图3a为1号试样采用2号工艺所得到的光学显微组织，难以看到铁素体-碳化物聚集，图3b是采用3号工艺得到的，以针状铁素体为主，类似其它二种工艺条件的光学显微组织。图3d是采用3号工艺条件得到的SEM像，没有发现马氏体，即在500℃左右进行等温，未转变的奥氏体分解为针状铁素体和铁素体--碳化物聚集。

图3 试样1在不同工艺条件下的显微组织(a c为工艺2、b d为工艺3)

在2号工艺条件下，2号试样的显微组织如图4(SEM像)，与1号试样相比，2号试样中马氏体的量有所增加，如图4a。这说明随着碳含量的增加，奥氏体的分解速度降低。在2号试样中同样观察到珠光体和铁素体—碳化物聚集，但显微结构与1号试样不同，可以认为，在1.5C/s冷却速度条件下，珠光体在较高温度下形成，碳化物在较低温度下析出。正如1号试样冷至500οC左右等温时未转变的奥氏体进一步分解成针状铁素体最终使铁素体-碳化物聚集(图4b)

图4 2号试样在工艺2和工艺3条件下的SEM像(a，b分别为2，3号工艺)

为了进一步研究针状铁素体的精细结构，采用透射电镜(TEM)证实SEM所观察到的各种显微相。图5a显示了1号试样用2号工艺冷却时所形成的马氏体组织具有细小的孪晶结构，这被选择性区域衍射予以证实(见图5a中插图)，其它试样中的马氏体岛也如此。图5b证实了1号试样经3号工艺处理所看到的铁素体--碳化物的聚集，这种聚集体靠近残留奥氏体而产生。这种孪晶马氏体形态类似于一些在等温转变钢中发现的变态珠光体2。

图5 1试样的TEM像a工艺2条件下的马氏体孪晶b工艺3条件下的铁素体-碳化物聚集体)

2.力学性能

图6表明六种不同试样的维氏硬度(HV)，1号试样进行三种不同的冷却处理工艺，其显微硬度差别不大。采用2号工艺处理，由于马氏体的作用，其硬度高于1号和3号工艺，3号工艺几乎得不到马氏体硬度最低。2号试样的1号工艺和2号工艺的硬度有明显差别，造成的原因是含碳量较高时奥氏体较稳定而获得较高的马氏体体积分数的结果。

图6 试样的维氏硬度

表2 试样的力学性能

试样的力学性能见表2，拉伸试验的结果和硬度试验结果是一致的，然而，低温冲击韧性差别很大，这是由于马氏体数量增多的结果，马氏体的存在对室温冲击韧性和抗拉强度影响不大，但对低温冲击韧性有不利影响。采用3号工艺所得到的组织性能符合贝氏体钢的特点，贝氏体与针状铁素体具有许多共同的形态学上的相似性，实际上针状铁素体常被当做低碳上贝氏体的一种形式6，可以认为3号冷却工艺使强度、硬度下降而出现较高的低温冲击韧性，部分原因归功于铁素体板条的软化，这可能与：(1)铁素体板条间易变的位错密度和位错排列有关，如在520οC等温时位错密度下降;(2)在经等温处理后可能出现了低错向的板条铁素体捆束有关。

四、结论

对含有少量细非金属夹杂物的低碳钢采用不同的冷却方式，以获得针状铁素体组织，其中一些显微相的微小变化对钢的力学性能有非常大的影响，因此，为提高针状铁素体钢的力学性能，仔细控制钢的各种显微组织非常重要。

［1］彭云，许祖泽.钢铁(J)1996.(4);53.

［2］R.A.RICKS，P.R.HOWELL，and G.S.BARRITTE：J.Mater.Sci，1982，17，732-740.

［3］R.A.FARRAR and P.L.HARRISON：J.Mater.Sci，1987，22，3812-3820.

［4］J.G.GARLAND and P.R.KIRKWOOD：Met，Constr.，1975，7，275 -283.

［5］J.G.GARLAND and P.R.KIRKWOOD：Met，Constr.，1975，7，320 -330.

［6］F.布赖恩，皮克林，刘嘉禾.钢的组织与性能(M)，58-59，科学出版社，1999.

Investigation of Steel with Acicular Ferrites in Titanium with Various Micro-Structure

WANG Ren1，2，SONG Li-na1
(1.Hunan Industry Polytechnic，Changsha 410208，Hunan;2.The College of Engineering，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，Hunan)

Through optical and electron microscopy to study the various micro-phases in different cooling processes to titanium bearing low carbon steels containing fine non-metallic inclusions，it is observed that the ferrite fine microstructure has much effect on their mechanical properties.The existence and amount of small isolated martensite between the acicular ferrite play an important role in determining the tensile strength and low temperature impact toughness of the steels.

the acicular ferrite interlocking;mechanical properties martensit volume fraction

TG14

A

1671-5004(2010)03-0011-02

2010-03-25

王 韧 (1985-)，女，湖南长沙人，湖南工业职业技术学院助教、助理实验师，湖南农业大学工学院在职硕士研究生，研究方向：农业机械化;

宋丽娜 (1984-)，女，山东平邑人，湖南工业职业技术学院助教，研究方向：机械制造.