一种非调质钢组织转变及性能的研究

杨伟光，刘年富，李祥龙，李国葵

(广东韶钢松山股份有限公司，广东 韶关 512123)

近些年来，非调质钢在汽车以及工程机械等领域被广泛使用，尤其在汽车领域，非调钢广泛应用于制造汽车发动机曲轴、连杆和活塞等重要部件。非调质钢是在优碳钢或低合金钢中加入微量的Nb、V、Ti或N等元素，使钢材在锻造或轧制状态就具有非常好的综合力学性能。与调质钢相比节省了热处理工序和热处理设备，避免了热处理过程中产生变形或淬火裂纹造成的废品，减少了热处理造成的污染，具有良好的经济效益和社会效益[1]。

铁素体-珠光体型非调质钢通过锻造等变形方式加工成毛坯零件后，可以利用锻造后的余热进行适当的冷却速度控制，使零件尽量获得铁素体和珠光体组织，尽量少产生贝氏体或马氏体组织，同时获得理想的硬度值。本文将能通过热模拟机试验对一种非调钢在不同冷却速度和冷却方式条件下的相变转变规律以及转变后的显微组织和硬度情况进行研究，为钢材在锻造等热加工后的零件的冷却控制提供参考。

1 试验准备

1.1 试验设备

通过Gleeble-3800热模拟机试验测量膨胀系数和温度曲线；莱卡DM-4000M金相显微镜检验金相组织；Zwick ZHV-1型号维氏硬度计测量维氏硬度。

1.2 试验材料

试验非调质钢材料化学成分如表1所示，非调质钢试样使用320 mm×425 mm断面连铸坯轧制成φ90 mm圆钢，圆钢轧制后采用空冷的方式冷却至室温。在距离圆钢表面二分之一半径的位置取样，加工成尺寸为φ6 mm×81 mm的试样。

表1 非调质钢材料化学成分(质量分数，%)

1.3 试验方法

非调质钢的过冷奥氏体连续转变(CCT)曲线的测定以膨胀法为主，金相法和硬度法为辅助[3-6]。

2 不同冷却速度连续冷却转变试验

2.1 Ac1、Ac3、Ar1、Ar3相变点温度测定

相变点温度测定试验方案为：将试样以10 ℃/s的加热速度加热至500 ℃，然后以0.05 ℃/s的加热速度加热到960 ℃，保温10 min，再以0.05 ℃/s的降温速度冷却至420 ℃，最后以10 ℃/s的冷却速度冷却至室温，如图1所示。试验过程中，通过膨胀法[2]测定试样膨胀量随时间变化的曲线。通过热模拟试验测定相变点温度如图2和表2所示。

图1 测定相变点时间-温度控制曲线Fig.1 The time-temperature control curve of measuring phase transition points

图2 非调质钢热模拟试验膨胀系数-温度曲线Fig.2 The expansion coefficient-temperature curve of the non-quenched and tempered steel

相变点Ac1Ac3Ar1Ar3温度753828616722

2.2 不同冷却速度下连续冷却转变试验方法

静态CCT曲线测定试验方案：将试样以10 ℃/s的加热速度加热到960 ℃，保温10 min，然后分别以0.1、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、7.0、10、15、20、25、30 ℃/s的降温速度将试样冷却至室温，如图3所示，测量每个冷却速度工艺下的试样显微组织和维氏硬度(HV5)，绘制静态CCT曲线。

将不同冷却速度下的试样沿横截面切开制作成金相试样，用4%的硝酸酒精溶液侵蚀[7]，使用金相显微镜进行显微组织观察。每个试样测量维氏硬度值(HV5)。

图3 静态CCT试验时间-温度控制曲线Fig.3 The time-temperature control curve of the static CCT test

2.3 不同冷却速度连续冷却转变试验结果

不同连续冷却速度下的组织转变产物和维氏硬度情况如表3所示；不同连续冷却速度下的显微组织如图4所示。

表3 不同连续冷速度下转变组织和维氏硬度

(a) 0.1℃/s ；(b) 0.5 ℃/s；(c) 1.0 ℃/s；(d) 2.0 ℃/s ；(e) 3.0 ℃/s；(f)4.0 ℃/s；(g) 5.0 ℃/s ；(h) 7.0 ℃/s；(i) 10 ℃/s；(j) 15 ℃/s ；(k) 20 ℃/s；(l)25 ℃/s；(m)30 ℃/s；图4 非调制钢不同连续冷却速度下的显微组织Fig.4 Microstructure of the non-quenched and tempered steel at the different continuous cooling speeds

测定各相转变的临界点温度。各相变的转变类型及临界点温度如表4所示。将表4所示连续相转变过程中不同冷却速度下，各相转变开始和结束时的温度为纵坐标，时间对数为横坐标绘制成静态CCT曲线，如图5所示曲线。

表4 不同连续冷却速度下各相变温度

从表3、图4所示不同连续冷却速度下的显微组织和图5静态CCT曲线可以看出，该非调质钢不同连续冷却速度下过冷奥氏体转变组织主要是铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体。随着冷却速度的增加，铁素体和珠光体的含量逐渐减少，而贝氏体和马氏体的含量逐渐增加。连续冷却速度分别为0.1、0.5和1 ℃/s时，转变组织主要为铁素体+珠光体，铁素体的含量逐渐减少，珠光体的含量逐渐增加，它们的维氏硬度值分别为250、267和285 HV5。连续冷却速度为2 ℃/s时，开始出现贝氏体，组织转变为铁素体+珠光体+8%的贝氏体，维氏硬度值为307 HV5。连续冷却速度分别为3、4、5和7 ℃/s时，开始有马氏体生成，转变组织为贝氏体+马氏体+铁素体+珠光体，铁素体和珠光体的比例明显减少，马氏体含量逐渐增加，维氏硬度值分别为333、347、380和414 HV5。连续冷却速度为10和15 ℃/s时，转变组织主要为马氏体+少量贝氏体，无铁素体和珠光体出现，维氏硬度值分别为461和522 HV5。冷却速度为20、25和30 ℃/s时，转变组织全为马氏体，维氏硬度值分别为577、590和624 HV5。随着冷却速度的不断提高，转变组织的维氏硬度值也不断提高，如图6所示。

图6 冷却速度与维氏硬度对应关系Fig.6 The relationship between cooling speeds and vickers hardness

3 静态等温转变试验

3.1 静态等温转变试验方法

连续冷却速度分别为0.1、0.5和1 ℃/s时，过冷奥氏体转变组织主要为铁素体+珠光体，维氏硬度值分别为250、267和285 HV5。为了尽可能获得铁素+珠光体组织和尽可能少的贝氏体组织，同时获得更高的硬度值，进行静态等温转变试验。表4中冷却速度为2、3和4 ℃/s时，珠光体转变终止温度分别为558、556和550 ℃，选择560 ℃作为静态等温转变温度控制点，560 ℃在珠光体转变终止温度以上，当分别以2、3和4 ℃/s连续冷却至560 ℃时，此时的组织应该为奥氏体+铁素体+珠光体，再进行等温控制促使过冷奥氏体充分向珠光体组织转变。

将试样以10 ℃/s的升温速度加热到960 ℃，保温10 min后，再分别按以下工艺试验：

① 2.0 ℃/s的冷却速度冷却至560 ℃，分别等温10、20 min，再以2.0 ℃/s的冷却速度冷却至常温；② 冷却3.0 ℃/s的速度冷却至560 ℃，分别等温10、20 min，再以3.0 ℃/s的冷却速度冷却至常温；③ 4.0 ℃/s的冷却速度冷却至560 ℃，分别等温10、20 min，再以4.0 ℃/s的冷却速度冷却至常温，静态等温转变试验曲线如图7所示。测量每个等温转变工艺下的显微组织和维氏硬度(HV5)。显微组织和维氏硬度的测量方法与静态CCT曲线测定显微组织和维氏硬度的测量方法相同。

图7 静态等温转变试验时间和温度曲线Fig.7 The time and temperature curve of static isothermal transformation test

3.2 静态等温转变试验结果

不同冷却速度和等温时间下的组织转变产物和维氏硬度，如表5所示；不同冷却速度和等温时间下的显微组织，如图8所示。

从表5和图8可以看出，不同冷却速度下560 ℃等温转变的组织和维氏硬度情况。

等温转变前和等温转变后的连续冷却速度分别为2、3和4 ℃/s时，560 ℃等温组织转变产物主要为铁素体+珠光体。

表5 不同冷却速度和等温时间下组织转变产物及维氏硬度

(a) 2.0 ℃/s，等温10 min；(b) 2.0 ℃/s，等温20 min；(c) 3.0 ℃/s，等温10 min；(d) 3.0 ℃/s，等温20 min；(e) 4.0 ℃/s，等温10 min；(f) 4.0 ℃/s，等温20 min图8 非调制钢不同冷却速度和等温时间下显微组织(a) 2.0 ℃/s，isothermal for 10 min;(b) 2.0 ℃/s，isothermal for 20 min;(c) 3.0 ℃/s，isothermal for 10 min;(d) 3.0 ℃/s，isothermal for 20 min；(e) 4.0 ℃/s，isothermal for 10 min；(f) 4.0 ℃/s，isothermal for 20 minFig.8 Microstructure of the non-quenched and tempered steel at different cooling speeds and isothermal time

等温转变前后的连续冷却速度为2 ℃/s时，分别等温10和20 min后，过冷奥氏体转变已经完成。等温10和20 min两种工艺下，铁素体和珠光体含量相当，维氏硬度值分别为294和296 HV5。

等温转变前后的连续冷却速度为3 ℃/s时，分别等温10和20 min后，过冷奥氏体转变未完成，在等温转变后的冷却过程中，继续进行组织转变，转变成微量贝氏体。等温20 min时贝氏体转变量，少于等温10 min时的贝氏体生成量，等温10、20 min的维氏硬度值分别为309、303 HV5。

等温转变前后的连续冷却速度为4 ℃/s时，分别等温10、20 min后，同样过冷奥氏体未完成转变，在等温转变后的冷却过程中，继续进行组织转变，生成少量贝氏体，等温20 min时的贝氏体转变量，少于等温10 min时的贝氏体转变量。等温10、20 min的维氏硬度值分别为317、314 HV5。

4 试验结果分析

连续冷却速度分别为0.1、0.5和1 ℃/s时，与560 ℃等温转变前后的连续冷却速度为2 ℃/s时的转变组织为都是铁素体+珠光体。与连续冷却速度分别为0.1、0.5和1 ℃/s对比，在560 ℃等温转变前后的连续冷却速度为2 ℃/s时，珠光体的组织含量比例更高些，同时维氏硬度也更高。由表4可知，当连续冷却速度为2 ℃/s时，560 ℃稍高于珠光体冷却转变结束温度558 ℃，在560 ℃温度点进行等温控制，促使组织向珠光体转变而不转变成贝氏体组织[8]。

从图4(d)、图8(a)和8(b)可以看出，当以连续冷却速度2 ℃/s冷却至室温时，转变组织内含有贝氏体组织；从表3和表5可以看出，组织维氏硬度高于在560 ℃等温转变前后的连续冷却速度为2 ℃/s时的维氏硬度。过冷奥氏体以连续冷却速度进行转变时孕育期要比等温转变时的时间长，组织转变温度低，因此当以连续冷却速度2 ℃/s冷却至室温时，转变组织中的贝氏体含量和维氏硬度值高于560 ℃等温转变前后以连续冷却速度为2 ℃/s时转变组织的贝氏体含量和维氏硬度。

在560 ℃等温转变前后的连续冷却速度分别为3和4 ℃/s，等温时间分别为10和20 min时，组织未完成转变，在等温过程结束后的连续冷却过程中继续发生组织转变。由于在等温转变过程中绝大部分过冷奥氏体已经转变成铁素体和珠光体，在等温转变后的连续冷却过程中，生成少量的铁素体、珠光体或贝氏体。等温10 min后以3 ℃/s速度连续冷却的比等温20 min后以相同速度连续冷却转变组织中，贝氏体含量和维氏硬度要稍高些。等温10 min后以4 ℃/s速度连续冷却的比等温20 min后以相同速度连续冷却的转变组织中，贝氏体含量和维氏硬度要稍高些。在相同的560 ℃等温转变前后，转变组织中贝氏体含量和维氏硬度随等温时间和冷却速度不同，按下面次序变化：等温20 min，以3 ℃/s速度连续冷却的，小于等温10 min，以3 ℃/s速度连续冷却的，小于等温20 min，以4 ℃/s速度连续冷却的，小于等温10 min，以4 ℃/s速度连续冷却的。

5 结论

通过热膨胀法测量得到各相变点临界温度：Ac1为735 ℃、Ac3为828 ℃、Ar1为616 ℃、Ar3为722 ℃。

当过冷奥氏体在连续冷却速度分别为0.1、0.5、1 ℃/s以及在560 ℃等温转变前后的连续冷却速度为2 ℃/s，等温时间分别为10和20 min时，转变组织为铁素体+珠光体，维氏硬度依次为250、267、285、294和296 HV5。对于该非调质钢材料锻造后需要获得铁素体+珠光体组织和不同的硬度时，可以对应参考上述的冷却控制工艺。

当过冷奥氏体在560 ℃等温转变前后的连续冷却速度分别为3和4 ℃/s，等温的时间分别为10和20 min时，转变组织为铁素体+珠光体+(微量或少量)贝氏体，维氏硬度为309、303、317和314 HV5。对于该非调质钢材料锻造后需要获得铁素体+珠光体+微量或少量贝氏体组织和不同的硬度时，可以对应参考上述的冷却控制工艺。