贝氏体型非调质钢具有良好的强度和韧性，其碳含量一般较低，显微组织基本为贝氏体，有少量铁素体和珠光体，抗拉强度可达800～1000MPa，甚至更高。目前已经广泛应用于工程机械行业、车辆行业、民用行业、海洋领域等。贝氏体型非调质钢的热处理通常采用空冷热处理，具有良好的强韧性配合，其力学性能超过了典型贝氏体钢、调质钢的力学性能，然而在空冷热处理时，当贝氏体型非调质钢的零件尺寸较大时，空冷过程零件表面和心部由于存在冷速差，会导致零件断面力学性能不均匀，影响使用性能。

 

      在已有的报道中，李梦鸽等研究表明不同直径贝氏体钢试棒，经空冷+回火后的组织均为贝氏体铁素体和残余奥氏体，属于无碳化物贝氏体组织，30mm以下棒料热处理后组织变化较小，直径50～70mm 的棒料心部组织有所粗化，并伴随粒状贝氏体体积分数的增加。热处理后，随棒料直径的增加，其强度和硬度有降低的趋势。罗毅等研究了一种尺寸为460mm×800mm的非调质预硬型塑料模具钢，研究表明心部组织比表层粗大，表层存在变形带特征，心部的贝氏体铁素体板条比表层宽。王思倩等研究了尺寸因素对35CrMoV钢力学性能的影响，结果表明：力学性能从表层到次表层有一个明显的下降，从次表层往里力学性能略有下降；微观组织由回火索氏体过渡为回火索氏体和贝氏体的混合组织。目前，国内对直径200mm以上的大尺寸贝氏体型非调质钢的热处理工艺对其不同位置组织和力学性能影响的研究较少，且大部分都是只研究心部和边缘组织和力学性能的差异，不能代表整个贝氏体型非调质钢的性能差异，并且随着相关技术的发展，大尺寸贝氏体型非调质钢的应用越来越广，比如工程机械、汽车、煤矿机械等一系列对整体性能要求高的地方。因此，本文研究450℃回火热处理对大尺寸贝氏体型非调质钢连铸圆坯不同位置组织和力学性能的影响，以期待为大尺寸贝氏体型非调质钢的实际设计与应用提供参考，从而使实际应用过程中的实体构件满足其使用条件。

 

1、 实验步骤

 

1.1 实验材料和实验过程

      本实验中研究的贝氏体型非调质钢连铸圆坯是由江苏某集团生产的，生产工艺为：将生铁和废钢加入到110T电弧炉中进行冶炼钢水，加热到高温使它们融化并混合均匀，再转移到钢包精炼炉中进行精炼，接着再经过真空处理炉脱气，然后将钢水拉成连铸坯并缓冷，再将连铸坯加热到1200～1230℃左右，通过连轧制机将连铸坯加工成棒材，初轧温度1100℃左右，终轧温度控制950℃左右，最终形成直径为230mm的棒料，然后进行空冷冷却。空冷到室温之后将棒材加热到450℃保温12h，并在空气中冷却。为方便研究，将本实验的贝氏体型非调质钢编号为B钢。把该贝氏体型非调质钢沿半径方向从心部到边缘等距取样，金相试样切取尺寸长宽高为12mm×12mm×1mm，拉伸试样按国标GB/T 228.1-2010设计并切取试样，如图1所示，从心部到边缘等距切取的试样依次编号为B-0、B-1、B-2、B-3。

 

1.2 表征方法    

 

     使用FEI QUANTA 450扫描电子显微镜（ scanning electron microscope， SEM）对贝氏体型非调质钢的显微组织和拉伸断口形貌进行了表征。使用LEICA DMI8型倒置金相显微镜观察了贝氏体型非调质钢的金相组织。采用BRUKER D8 ADVANCE型X射线衍射仪（X-ray diffractometer，XRD）获得贝氏体型非调质钢的衍射谱图，采用PROTO LXRD高速测量立式XRD 测量贝氏体型非调质钢的残余奥氏体质量分数。采用洛氏硬度计进行硬度测试，随机测试了10 个点，取平均值后得到复合材料的洛氏硬度。依据GB/T2 28.1—2010 加工成标准的拉伸试样，采用Z100HT万能材料试验机对贝氏体型非调质钢进行拉伸获得应力-应变曲线。

 

2、 实验结果与分析 

 

2.1 微观组织分析

       图2是贝氏体型非调质钢不同取样位置的金相组织图。从图2可知，该贝氏体型非调质钢有多种组织，以粒状贝氏体、板条贝氏体和铁素体组织为主。心部的B-0 处粒状贝氏体体积分数多，板条贝氏体体积分数少，板条最粗，长度最长，晶粒尺寸最大；B-1和B-2处的粒状贝氏体体积分数减少，板条贝氏体板条体积分数增加，板条变细，板条长度和晶粒尺寸有所减小；边缘的B-3处粒状贝氏体体积分数最少，板条贝氏体体积分数最多，板条最细，长度最短，晶粒尺寸相对最小。同时采用Image-ProPlus软件统计了奥氏体晶粒的平均尺寸以及铁素体的含量，结果如表2所示。表2结果说明，随着取样位置逐渐靠近边缘，奥氏体晶粒尺寸减少，铁素体体积分数不断增加。这主要和不同取样位置的冷却速度有关，贝氏体型非调质钢在空冷的时候，由于直径比较大会造成不同位置的冷却速度不同，随着取样位置越靠近边缘，贝氏体冷却速度增加，得到的板条贝氏体体积分数增加，板条尺寸和晶粒尺寸减小，粒状贝氏体体积分数降低。

 

 

      图3是贝氏体型非调质钢不同取样位置的SEM图。由图3可见，贝氏体型非调质钢的微观组织为板条贝氏体、粒状贝氏体以及铁素体的复相组织，随着取样位置越靠近边缘，板条贝氏体板条越短且越细，这与金相的结果是一致的。同时能看到一些细小的和大块状的马奥岛（马氏体/奥氏体岛），还能看到一些分解的马奥岛，这主要是高温回火会使得部分马奥岛分解。采用Image-Pro Plus软件统计了10张2000倍的SEM图，获得了实验钢中马奥岛的平均尺寸，如图4所示。可见随着取样位置越靠近边缘，马奥岛尺寸越小，这主要是由于贝氏体型非调质钢空冷的时候造成不同位置冷却速度不同，边缘冷却速度大，贝氏体转变开始温度越低，相变驱动力越大，碳原子扩散也越不充分，造成奥氏体只能在短距离内富碳，马奥岛尺寸减少，数量增加，间距缩短。

       图5是贝氏体型非调质钢不同取样位置的XRD谱图。由于残余奥氏体含量很少，图上几乎看不到，故采用PROTO LXRD高速测量立式XRD，经测量B-0、B-1、B-2、B-3处残余奥氏体质量分数分别为0.68%、0.62%、0.60%、0.47%。由图5可知，不同取样部位的XRD谱图衍射峰主要是铁素体峰，没有碳化物峰出现，因此不同取样部位的组织主要是贝氏体、铁素体和少量的残余奥氏体。

 

2.2 力学性能分析   

 

      图6为该贝氏体型非调质钢不同取样位置的维氏硬度。由图6可知，心部的B-0处洛氏硬度最小，为33.5；B-1和B-2处洛氏硬度有所增加，分别为35.2 和36.4；边缘处的B-3处洛氏硬度最大为38.1，相比于心部增加了4.6。由此可以看出，从心部到边缘，材料的洛氏硬度不断增加。这主要和材料不同位置的组织和晶粒尺寸大小有关，由于越靠近边缘，贝氏体晶粒和组织越细，因此洛氏硬度也会越高。

 

      图7为该贝氏体型非调质钢的拉伸应力–应变曲线。图8为该贝氏体型非调质钢抗拉强度、屈服强度和伸长率与取样位置的关系。可以看到随着取样位置逐渐靠近边缘，实验钢的抗拉强度不断增大，实验钢的屈服强度和伸长率也不断增大。心部B-0处抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为1008.1MPa、791.7MPa、11.8%；最边缘B-3处抗拉强度、屈服强度和伸长率达到最大值，分别为1080.5MPa、828.1MPa、15.6%，说明边缘的力学性能优于心部的力学性能。

 

 

      根据金相组织图和SEM图可知，从心部B-0处到边缘B-3处，板条贝氏体体积分数不断增加，粒状贝氏体体积分数不断减少。与粒状贝氏体组织相比，板条贝氏体对低碳钢的强化作用更大，板条贝氏体类型低碳钢强度均优于粒状贝氏体组织类型低碳贝氏体钢，低碳钢的拉伸强度随板条贝氏体和马奥岛体积分数的增加而增加。同时从金相组织可以看出，随着取样位置越靠近边缘，晶粒尺寸明显降低，边缘部位具有更多的晶粒数量和晶界。在塑性变形时，变形能够均匀的分布在各个晶粒内，从而提高钢的塑性变形能力。通过SEM进一步观察其微观组织，可以看到边缘板条贝氏体组织明显细化。根据先前的研究，组织和晶粒的细化能够有效提高贝氏体非调质钢的强度和塑性。此外铁素体对于塑性也有影响，铁素体体积分数越多，塑性越大，从心部的B-0到边缘的B-3，铁素体体积分数不断增加，因此边缘抗拉强度和伸长率最好。

 

       根据晶粒统计结果可知，随着取样位置越靠近边缘，晶粒越小，晶粒的大小又决定了晶界的数量，在室温下，晶界对滑移具有阻碍作用，影响实验钢的起始塑性变行抗力。根据Hall-Petch 公式：

      当多晶体的晶粒平均直径减少时，多晶体的屈服强度就会提高，因此边缘的屈服强度最好。

 

2.3 断口分析     

 

     图9为贝氏体型非调质钢不同取样部位的断口形貌图。从图9可知，贝氏体型非调质钢不同取样位置断口均存在颈缩现象，且断口凹凸不平；心部B-0的微观断口形貌主要为韧窝和部分准解理面，此时塑性最差；。中间B-1的断口主要为韧窝和少量的准解理面，塑性有所增强；中间B-2的断口主要为韧窝状断口，韧窝分布均匀，为典型的韧性断裂，因此塑性比较好；边缘B-3 的断口表现为分布比较致密的韧窝，韧窝数量有所增加，同时出现了较大的韧窝，为典型的韧性断裂，此时塑性最好。

 

3、 结论

 

    （1）经450℃回火热处理后，该贝氏体型非调质钢显微组织为板条贝氏体、粒状贝氏体和铁素体。随着取样位置逐渐靠近边缘，板条贝氏体体积分数增多，板条长度和宽度减少，粒状贝氏体体积分数降低，马奥岛尺寸和晶粒尺寸不断减少。

 

     （2）大直径贝氏体型非调质钢边缘力学性能最好。随着取样位置越靠近边缘，该贝氏体型非调质钢的洛氏硬度、抗拉强度、屈服强度和伸长率均逐渐增加，边缘的硬度、抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到38.1、1080.5MPa、828.1MPa、15.6%。

 

 

来源：上海理工大学

关键词： 贝氏体型非调质钢