等温温度和时间对超级贝氏体钢Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si相变和组织性能的影响

刘 曼，徐 光，周明星，田俊羽，袁 清

(1.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉，430081；2.武汉科技大学高性能钢铁材料及其应用湖北省协同创新中心，湖北 武汉，430081)

等温温度和时间对超级贝氏体钢Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si相变和组织性能的影响

刘 曼，徐 光，周明星，田俊羽，袁 清

(1.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉，430081；2.武汉科技大学高性能钢铁材料及其应用湖北省协同创新中心，湖北 武汉，430081)

以超级贝氏体钢Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si为对象，通过热模拟试验、扫描电镜、X射线衍射分析和拉伸试验等方法，研究等温转变温度和保温时间对试验钢的贝氏体相变、微观组织和力学性能的影响。结果表明，随着等温转变温度的降低，钢的显微组织中贝氏体形貌从颗粒状贝氏体转变为板条状贝氏体，其强度逐渐提高，但伸长率和强塑积先增大后减小；随着保温时间的增加，钢的抗拉强度逐渐降低，而伸长率和强塑积逐渐增大，因此可通过适当延长相变时间来改善钢的综合力学性能；在350 ℃下保温90 min时，试验钢显微组织中残余奥氏体体积分数最大，且具有最大强塑积。

贝氏体钢；等温温度；保温时间；相变；残余奥氏体；显微组织；力学性能

近年来，超级贝氏体钢受到业界越来越多的关注。这类钢中的超细板条贝氏体具有高强度，板条贝氏体之间的薄膜状残余奥氏体(RA)通过TRIP效应，又可以提高钢的塑性[1-2]，因此，无碳化物板条贝氏体和一定量的残余奥氏体组合使得材料具有优异的强韧性能[3-4]。

贝氏体等温相变温度和保温时间影响贝氏体钢最终的组织和性能。Guo等[5]分析了在200～300 ℃保温不同时间对贝氏体形貌和显微组织的影响，结果显示，在不同等温条件下，贝氏体尺寸均能达到纳米级，且随着等温温度的降低而逐渐减小。Sharma等[6]研究表明，含碳量为0.47%(质量分数，下同)的贝氏体钢在350 ℃下保温30 min时，其强度可达1517 MPa、延伸率为12%。Huang等[7]探讨了高碳贝氏体钢ZWZ12(含碳量为1%)等温热处理工艺参数的优化问题，结果表明在200 ℃下保温6 h时，试验钢可获得强度为1363 MPa、延伸率为13%的良好力学性能。

本研究以超级贝氏体钢Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si为对象，通过热模拟试验、扫描电镜、X射线衍射分析和拉伸试验等方法，分析等温转变温度和保温时间对试验钢的相变、组织和性能的影响，以期为超级贝氏体钢热处理工艺参数的设定提供依据。

1 试验

试验钢Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si在真空感应炉中冶炼，然后铸成80 kg钢锭，并在四辊轧机上轧制成12 mm厚的钢板。

为了定量分析相变温度和保温时间对贝氏体相变的影响，如图1所示，将上述圆柱试样以10 ℃/s的速率加热到1000 ℃，保温15 min进行奥氏体化，然后以10 ℃/s的速率冷却到贝氏体等温转变温度，保温30～90 min，再以25 ℃/s的速率冷却到室温。用Nova 400 Nano场发射扫描电镜(FE-SEM)观察热模拟试验后的试样组织，加速电压为20 kV。在BRUKER D8 ADVANCE型X射线衍射仪上进行XRD分析，以确定试样中残余奥氏体的体积分数，工作电压和电流分别为40 kV和40 mA。

为了研究等温温度和时间对试验钢力学性能的影响，从原始热轧钢板中取140 mm×20 mm×10 mm的钢块，在ThermecMaster-Z热模拟机上按图1所示进行热模拟试验，然后在UTM-4503电子万能试验机上进行拉伸试验，拉伸速率设为1 mm/min，取4次试验的平均值作为最终结果。

图1 热处理工艺流程

2 试验结果及分析

2.1 等温温度对试验钢组织和性能的影响

2.1.1 显微组织

图2所示为不同等温相变温度下保温90 min试样的SEM照片。由图2可以看出，在不同温度下，贝氏体组织形貌和转变量明显不同。在400 ℃下等温转变时，试样的微观组织主要由粒状贝氏体和马氏体/奥氏体(M/A)组成；在350 ℃和300 ℃下等温转变时，试样组织中只有少量粒状贝氏体，更多的是板条状贝氏体；随着等温温度的降低，贝氏体束变得更细长，而且贝氏体的转变量也在增加。

根据试样的XRD图谱，使用HighScore Plus软件精确测定衍射峰的积分强度。由(200)α、(211)α、(200)γ和(220)γ衍射峰的积分强度可以计算出残余奥氏体(RA)的体积分数。对于300、350、400 ℃等温转变90 min的试样，其残余奥氏体体积分数分别为5.8%、11.3%和9.7%，即随着等温温度的降低，RA的体积分数先增加后减小。这是因为，随着等温温度的降低，贝氏体转变量增加，马氏体转变量降低，贝氏体和马氏体转变的综合作用决定RA的体积分数。

(a)400 ℃ (b)350 ℃

(c)300 ℃

图3为不同温度下保温90 min试样的膨胀曲线。保温期间，试样显微组织发生了从面心立方(fcc)结构到体心立方(bcc)结构的晶格变化，即从γ-奥氏体相转变为α-铁素体相。fcc和bcc的致密度分别为0.74和0.68，导致贝氏体转变后试样体积增加[8-9]，因此，试样的膨胀量可以表征其实际的贝氏体转变量。由图3可以看出，在400、350、300 ℃下保温90 min后，试样的膨胀量分别达到0.036、0.043、0.052 mm，表明300 ℃时试样微观组织中贝氏体的转变量最多，400 ℃时贝氏体的转变量最少，这与图2中的观察结果是一致的。

图3 不同温度下保温90 min试样的膨胀曲线

Fig.3Dilatationcurvesofthesamplestransformedatdifferentisothermaltemperaturesfor90min

贝氏体转变量随着转变温度的降低而增加的原因分析如下：尽管在较低的转变温度下，碳的扩散速率变慢而导致形核速率降低，但此时的过冷度大，贝氏体生长的驱动力较大，与形核相比，长大过程在整个贝氏体相变中起着更重要的作用[8-9]，所以转变温度越低，贝氏体转变量就越大。这也可以通过T0曲线来解释。T0曲线是指相图中某一温度下相同成分奥氏体和铁素体的吉布斯自由能相等时各点的连线[10]。当贝氏体形成时，多余的碳立即分配到周围的奥氏体中，故随着反应的进行，未转变奥氏体的碳浓度不断增加。只有当未转变奥氏体的碳浓度低于T0曲线对应的碳浓度时，贝氏体转变才可以继续进行，因此贝氏体的最大转变量取决于未转变奥氏体储存碳的能力。奥氏体储存碳的能力越大，贝氏体转变量越大[11]。采用MUCG83软件可计算得到试验钢的T0曲线如图4所示。由图4可知，未转变奥氏体储存碳的能力随着温度的降低而增加，所以试验钢在较低的转变温度下可获得更多的贝氏体。

根据图3中的膨胀曲线，可以得出等温期间试样中贝氏体的相对体积分数(由试样的瞬时膨胀量除以最大膨胀量来表征)，见图5。由图5可以看出，保温时间相同时，贝氏体相变速率在400 ℃时最大，在300 ℃时最小，即随着等温温度的降低，试样的贝氏体相变速率逐渐下降。这是因为高温时碳扩散更容易，贝氏体的形核速率更快，所以贝氏体相变速率更快[12-13]。此外，由图5还可以看出，随着等温温度的升高，贝氏体转变完成所消耗的时间逐渐缩短。

图4 试验钢的T0曲线

图5不同温度下保温90 min试样的贝氏体相对体积分数

Fig.5Relativevolumefractionsofthesamplestransformedatdifferentisothermaltemperaturesfor90min

2.1.2 力学性能

图6给出了在不同转变温度下保温90 min试样的力学性能。在300 ℃下等温转变，试样的抗拉强度为1398 MPa，比在350 ℃和400 ℃下等温转变试样的抗拉强度分别提高了107 MPa和214 MPa。显然，随着等温温度的降低，试样的抗拉强度逐渐增大。然而，当等温温度逐渐下降时，试样的总伸长率先增大后减小，350 ℃时试样的总伸长率最大(11.8%)。由图6(b)可见，在350 ℃下等温转变试样的强塑积具有最大值，因此其具有最佳的综合力学性能。分析上述现象的原因：一方面，贝氏体的形貌对钢的力学性能有重要影响，如前所述，随着等温转变温度的降低，试样中贝氏体形貌从粒状贝氏体转变为板条贝氏体，而板条状贝氏体的形成有利于贝氏体强度的增大；另一方面，试样的力学性能不仅受贝氏体数量和形貌的影响，还取决于残余奥氏体体积分数等其他因素。Jiang等[14]指出，TRIP钢中残余奥氏体的稳定性和数量是影响其力学性能(强度和延展性)的重要因素。Hu等[15]研究表明，贝氏体钢中残余奥氏体的数量越多，其延展性越好。本研究中，在350 ℃下保温90 min的试样中残余奥氏体的体积分数最大(11.3%)，所以其具有最大的伸长率和强塑积。

(a)抗拉强度和总伸长率 (b)强塑积

图6不同温度下保温90min试样的力学性能

Fig.6Mechanicalpropertiesofthesamplestransformedatdifferentisothermaltemperaturesfor90min

2.2 保温时间对试验钢组织和性能的影响

2.2.1 显微结构

图7为在300 ℃下保温不同时间试样的SEM照片。由图7可以看出，当保温时间由30 min延长至60 min时，试样中贝氏体数量明显增加，保温时间继续延长至90 min时，贝氏体数量持续增加，但增幅减小。此外，试样中马氏体的转变量随着保温时间的延长而降低。上述现象与图5中300 ℃等温转变试样的贝氏体相对体积分数的变化情况是一致的，即前30 min内，试样中贝氏体相急剧增加，30～60 min贝氏体相变减缓，60 min后相变接近完成。

(a)30 min (b)60 min

(c)90 min

2.2.2 力学性能

图8所示为300 ℃下保温不同时间试样的力学性能。由图8可知，与保温30 min的试样相比，保温60 min和90 min试样的抗拉强度分别降低了55 MPa和92 MPa。另一方面，当保温时间从30 min延长至90 min时，试样的总伸长率从5.9%增至9.2%。这是因为，过冷奥氏体在等温相变过程中转变为贝氏体，然后在空冷过程中，未分解的奥氏体转变为马氏体[16]，随着保温时间的延长，贝氏体的转变量增加，马氏体的转变量减少，因此试验钢的强度降低、伸长率和强塑积增大，这意味着可以通过延长保温时间来改善贝氏体钢的综合力学性能。

(a)抗拉强度和总伸长率 (b)强塑积

图8在300℃下保温不同时间试样的力学性能

Fig.8Mechanicalpropertiesofthesamplestransformedat300℃fordifferentlengthsoftime

3 结论

(1)随着等温转变温度的降低，超级贝氏体钢Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si中的贝氏体形貌从粒状贝氏体变成板条贝氏体，贝氏体转变量逐渐增加，而残余奥氏体的体积分数先上升后下降。随着保温时间的延长，Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si钢中的贝氏体含量逐渐增加，但保温60 min 后，贝氏体相变接近完成。

(2)Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si钢的强塑积随相变温度的降低先增加后减小，随保温时间的延长而增加。在本研究所设定的热处理工艺参数范围内，350 ℃下保温90 min时，试验钢具有最佳的综合力学性能。

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Effectsofisothermaltemperatureandholdingtimeonphasetransformation,microstructureandpropertiesofsuperbainiticsteelFe-0.40C-2.2Mn-1.5Si

LiuMan,XuGuang,ZhouMingxing,TianJunyu,YuanQing

(1.State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Advanced Steels, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

The effects of isothermal temperature and holding time on bainitic transformation, microstructure and properties of a super bainitic steel Fe-0.40C-2.2Mn-1.5Si were studied by thermal simulating test, SEM, XRD and tensile tests. The results show that with the decrease of isothermal temperature, microstructure of the steel changes from granular bainite to lath-like bainite, and its strength gradually improves while its elongation and product of strength and elongation (PSE) first increase and then decrease. In addition, with the extension of isothermal holding time, the tensile strength decreases whereas the elongation and PSE increase. So the comprehensive mechanical properties of the bainitic steel can be improved by prolonging the transformation time properly. The steel sample transformed at 350 °C for 90 min has the maximum volume fraction of retained austenite and the optimum PSE.

bainitic steel; isothermal temperature; temperature holding time; phase transformation; retained austenite; microstructure; mechanical property

2017-05-19

国家自然科学基金面上项目(51274154)；湖北省科技创新专项重大项目(2017000011).

刘 曼(1994-)，女，武汉科技大学硕士生.E-mail:1993326537@qq.com

徐 光(1961-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师.E-mail:xuguang@wust.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.05.005

TG156.1

A

1674-3644(2017)05-0344-06

[责任编辑尚晶]