Al元素对高碳珠光体钢连续缓慢冷却相变行为的影响

涂 煜，吴开明

(1. 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；2. 武汉科技大学国际钢铁研究院，湖北 武汉，430081 )

冷拔珠光体钢丝由于兼具高强度和一定的韧性，被广泛应用于桥梁缆索、轮胎帘线、钢丝绳及弹簧等工程结构用材料的制造中。近年来，随着新建桥梁跨距的不断增加，如何在进一步提高钢丝强度的同时保证其良好的塑韧性，成为国内外研究者亟需解决的问题[1]。对于桥梁缆索用镀锌钢丝而言，其应变量相对较小，加工硬化程度不高，镀锌钢丝的强化主要依靠增加盘条的抗拉强度，从微观组织方面考虑，可以通过细化珠光体片层间距、强化铁素体(固溶强化和析出强化)及增加渗碳体比例等方式来实现[2]。

Al作为一种铁素体稳定化元素，对奥氏体转变有促进作用，即能有效扩大铁素体相区和缩小奥氏体相区[3]。盛振栋等[4]通过研究Al元素对热挤压模具钢SDAH13连续冷却转变的影响发现，Al元素的加入提高了SDAH13钢的相变温度点Ac1、Ac3、Ms，扩大了其铁素体+奥氏体两相区，且相比于不含Al的SDAH13钢，添加0.77%和0.43%Al后试验钢的珠光体临界转变冷却速度明显提高。另外，对于添加微量Al元素处理的中碳钢而言，若从900 ℃的奥氏体化温度冷却至珠光体转变温度范围，需要采用70～140 ℃/s的超快冷却速度才可能得到全珠光体组织，而这在实际生产中很难实现[5]。本课题组设计了两组碳含量为0.78%的高碳钢，对比研究发现，添加Al、Co的试验钢在低于0.1 ℃/s的冷却速度下得到了全珠光体组织，而不含Al、Co的钢中，要在低于0.05 ℃/s的冷却速度下才能得到全珠光体组织，表明Al元素扩大了该合金体系的珠光体冷却转变区间[6]。

基于此，本研究设计了不含Al和含1.5%Al的两组桥索用超高强度珠光体钢，重点分析了Al元素对试验钢缓慢冷却条件下微观组织、硬度及珠光体转变行为的影响。

1 试验材料与方法

本研究以某桥梁缆索用珠光体钢的成分为基础，设计了不含Al和含1.5%Al的两组试验钢，其化学成分如表1所示。钢中加入一定浓度的Si是为了抑制奥氏体中渗碳体的析出和沉淀，而加入Mn、Cr、Nb等元素则是为了控制奥氏体晶粒尺寸、改善钢的淬透性及回火脆性。

表l 试验用钢的化学成分(wB/%)

2 结果与分析

2.1 微观组织

锻后空冷处理后，试验钢的微观组织及精细结构如图1～图3所示。从图1所示的OM照片可以看出，两种钢的室温组织均主要由珠光体和马氏体构成，图中黑色团状和片层状组织为珠光体，灰白色块状组织为马氏体，且相较于Al-free钢，1.5Al钢样锻后空冷得到的组织中珠光体团更多，而马氏体相对较少。

(a)Al-free钢 (b)1.5Al钢

图1 钢样的OM照片

Fig.1 OM images of steel samples

(a)Al-free钢 (b)1.5Al钢

图2 钢样的SEM照片

Fig.2 SEM images of steel samples

(a) Al-free钢，低倍 (b) Al-free钢，高倍

(c) 1.5Al钢，低倍 (d) 1.5Al钢，高倍

(e) 1.5Al钢，碳化物分布 (f) 1.5Al钢，电子衍射花样标定

图3 钢样的TEM照片及电子衍射花样

Fig.3 TEM images and diffraction pattern of steel samples

从图2所示的SEM照片进一步可以看出，两者的室温组织均由片层状珠光体和少量块状马氏体组成，且1.5Al钢样中珠光体组织的片层间距相较于Al-free钢更为细小。结合图3所示的TEM照片来看，试验钢中珠光体组织并不是完全规则的片层状，还有部分呈团簇状，并且片层珠光体之间的取向也不相同。从图3(b)和图3(d)所示的高倍TEM照片中观察到，试验钢珠光体组织由一层渗碳体(黑色)和一层铁素体(白色)构成，图3(e)和图3(f)中的碳化物暗场像及电子衍射花样标定结果也进一步证明，经过锻后空冷处理后，1.5Al钢样的室温组织主要为渗碳体和铁素体组成的片层状珠光体。

2.2 珠光体片层间距和维氏硬度

锻后空冷处理后，钢样的珠光体片层间距和维氏硬度测试结果列于表2中。由表2可见，与Al-free钢样相比，添加1.5%Al后试验钢的珠光体片层间距减小，且维氏硬度HV1降低了约56，这与显微组织观察结果相符，主要是由于添加1.5%Al的试验钢在冷却过程中产生了更多的珠光体组织，而珠光体的硬度比马氏体要低得多，故1.5Al钢样的硬度相对较低。

表2 钢样的珠光体片层间距和硬度

Table 2 Pearlite lamellar spacing and hardness of steel samples

钢样珠光体片层间距/nm硬度HV1Al-free钢150±15435±191.5Al钢130±10379±15

3 分析与讨论

3.1 Al元素对试验钢等温转变动力学的影响

图4为MUCG83软件计算所得试验钢的等温转变(TTT)曲线和自由能变化曲线。由图4(a)所示的TTT曲线可见，Al元素的添加可以提高试验钢的珠光体转变温度，使C曲线上移；同时也能缩短珠光体转变时间，使C曲线左移。珠光体转变温度的升高，则加速了碳在奥氏体中的扩散，进而提高了珠光体转变速度，同时也提高了共析转变温度及增加了过冷度。

由图4(b)所示的自由能变化曲线可见，添加Al元素后，试验钢由奥氏体向珠光体转变的自由能增加。通常而言，珠光体转变可视为局部平衡相变过程，相变驱动力来源于系统状态内准平衡态向正平衡态的转变趋势,两平衡态间的转变可能为渗碳体的析出提供驱动力[8]。Hultgren[9]利用外推法研究表明，通过延伸α+γ/γ相或γ+θ/γ相的局部区域，在转变温度低于平衡共析温度下，奥氏体也有转变为全珠光体的可能，但为了避免形成先共析铁素体，则需要非常快的冷却速度。而Al的添加增加了热力学驱动力，大幅提升了新相形核速率，能够有效抑制准平衡态到正平衡态转变过程中多边形铁素体的形成[8,10]，即使在较慢的冷却速度下，也可以形成较细的渗碳体片层结构，促进了珠光体转变。

(a)TTT曲线

(b)自由能变化曲线

Fig.4 TTT transformation and free energy change curves of tested steels

3.2 Al元素对试验钢连续冷却转变的影响

利用J-MatPro软件计算得到试验钢的连续冷却转变(CCT)曲线如图5所示，“Pearlite(0.1%)”表示珠光体转变开始，“Pearlite(99.9%)”表示珠光体转变结束，从图中可以得到连续冷却转变后获得不同组织的冷却速度范围。由图5可知，若在1 ℃/s的冷却速度下，1.5Al钢样的珠光体开始转变和结束转变温度分别为752、678 ℃，转变持续时间为74 s，而Al-free钢的珠光体开始转变和结束转变温度为704、596 ℃，转变持续时间为108 s。对比可知，添加1.5%Al后，试验钢的珠光体转变温度升高，转变时间则变短，这与图4(a)所示的结果一致。从图5还可以看出，加入1.5%Al后，珠光体转变的连续冷却速度范围扩大，珠光体转变的临界冷却速度增大。

本研究用钢中碳含量超过了0.9%，即为过共析钢，而对于过共析钢，获得珠光体组织需要较慢的冷却速度。加入1.5%的Al元素后，试验钢更接近于共析点，故1.5Al钢可以在较快的冷却速度下获得珠光体组织。此外，Al元素还能提高试验钢的共析点温度，即提高珠光体转变温度，碳在奥氏体中的活度得到提高，有利于过冷奥氏体中合金碳化物的形成，两者的共同作用促进了珠光体的形核及长大。

图5 试验钢的CCT曲线

3.3 Al元素对试验钢珠光体片层间距的影响

Takahashi[11]提出了相转变后珠光体片层间距S0与过冷度ΔT的关系模型，即：

(1)

式中：TE为共析转变温度;a、b为常数。

从上述式中可以看出，过冷度越大，珠光体片层间距越小。由图4可知，本试验用钢中Al元素的添加提高了体系的过冷度，且结合实验结果来看，1.5Al钢中珠光体片层间距相比于Al-free钢更细小，这与文献[11]提出的模型相符合。另一方面，Capdevila等[12]利用神经网络模型评估了各合金元素对珠光体片层间距的影响，结果表明，Mn、Ni、Cr、Mo等奥氏体稳定元素会增加合金的珠光体片层间距，但Al、Co等铁素体稳定元素则会减少合金的珠光体片层间距。

4 结论

(1)锻后空冷处理后，Al-free和含1.5%Al钢的室温组织均为片层状的珠光体和少量块状马氏体，且添加1.5%Al的高碳合金钢中，珠光体片层更精细，与Al-free钢相比细化了约20 nm。

(2)添加一定量Al元素后，试验钢的维氏硬度HV1降低了约56，这是由于Al元素的加入提高了试验钢的共析转变温度，加速了碳在奥氏体中的扩散，珠光体相变热力学驱动力增加，从而促进了珠光体转变，这使得含1.5%Al钢样中珠光体组织的含量相对较高。

(3)热力学与动力学计算结果表明，Al合金化可以提高试验钢的珠光体转变温度，使C曲线上移，同时也能缩短珠光体转变时间，使C曲线左移；珠光体转变温度越高，碳在奥氏体中的活度越大，这有利于过冷奥氏体中合金碳化物的形成。两者共同作用促进了试验钢中珠光体的形核与长大。