第31卷第5期 2010年1O月 ・特殊钢 SPECIAL STEEL V01.31.No.5 October 2010・55・ 组织性能・ 控轧控冷工艺参数对B微合金化中碳钢组织的影响 袁武华周 恒傅强 (湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082) 摘 要通过Gleeble一1500热模拟机的热压缩实验,研究了在760~820℃变形、750—840℃初始冷却并控轧 控冷的微合金中碳钢(%:O.32~0.38C、0.001~0.OIOB、≤0.05Als)组织演变。结果表明,铁素体平均晶粒度随变 形温度的降低而减小,随初始冷却温度的升高而增大;随着变形温度的降低,铁素体百分含量增加,珠光体球化趋 势更明显;790℃变形时,初始冷却温度840℃为最佳工艺条件,此时能获得最大铁素体含量64.5%,远高于同类型 普通中碳钢的54%;在晶界处存在一定数量的BN颗粒,有利于改善B钢塑性变形性能。 关键词B微合金化中碳钢热压缩试验组织演变 Effect of Controlling Rolling and Cooling Parameters on Structure 0f B Microalloyed Medium—Carbon Steel Yuan Wuhua.Zhou Heng and Fu Qiang (College of Materials Science and Engineering,Hunan University,Changsha 41 0082) Abstract Development of structure of microalloying medium—carbon steel(%:0.32~0.38C.0.001~0.010B.≤ O.05Als、controlling rolling and cooling with deformation at 760~820℃and initial cooling at 750~840 oC has been stud. ied by hot compression test by Gleeble一1500 thermal simulation machine.Resuhs show that the average ferrite grain size de. ereases with decreasing deformation temperature and increases with increasing initial cooling temperature.and with decrea— sing deformation temperature the percentage of ferrite increases and the spheroidizing trend of pearlite is more obvious;the optimum process parameters are deformation temperature 790℃and initial cooling temperature一840℃to get maximum ferrite volume percentage一64.5%that iS far more than that 54%in general medium—carbon stee1.The definite BN particles at grain boundary are available to improve the plastic deformation of B stee1. Material Index B Microalloying Medium—Carbon Stee1.Hot Compression Test.Stuctrure Development 中碳钢越来越广泛应用于螺栓螺母等紧固件和 一20 /s快速冷却到 后,开始缓慢冷却15 min后 至450 oC,之后空冷至室温。采用图像分析软件对 铁素体含量和晶粒大小进行测定。 2实验结果与分析 些冷镦成形零件的制造,这要求其具有良好的塑 性和尽可能低的硬度…。中碳钢广泛采用控冷控 轧技术 .3 和加硼微合金化 J。 1实验材料与方法 图1分别给出了变形温度(T1)为790℃,初始 实验材料为商用B微合金化中碳钢(表1),试 样为 6 mill X 9 mm的小圆棒。热模拟实验前,通 过DSC实验测得材料相变温度(Ac 、Ac,、Ar 、Ar3) 分别为740.4、788.5、675.8、749.0 qc。 冷却温度( )为750、780、810、840 oC时的金相显微 组织。从图1中比较得出,随着初始冷却温度升高, 铁素体晶粒逐渐变大。 试样经历两次快冷过程:由奥氏体化温度快速 在Gleeble一1500热模拟机上进行热压缩实验, 将试样以l0℃/s ̄ll热到1 050℃,保温3 min;然后 冷却到变形温度;热变形完成后快速冷却到初始冷 却温度 。前者是为了防止先共析铁素体和奥氏 体晶粒的长大;后者在于抑制奥氏体晶粒长大或碳 化物析出,保持因变形而引起的位错,增加过冷度, 使相变温度降低。温度越高,高温下停留时间越长, 以20℃/s快速冷却至变形温度71l,保温5 S后,以1 8 的应变速率热变形,变形量为50%;变形后,以 表1 B微合金化中碳钢化学成分/% Table 1 Chemical composition of B microalloying medium- carbon steel/% C 0.32~ 0.38 Si ≤0.22 Mn 0.3~ 0.6 P ≤ 0.035 S ≤0.035 B 0.001~ 0.010 Als ≤ 0.05 越有利于晶粒的长大。因此,当初始冷却温度升高 时,铁素体晶粒逐渐变大。 由表2中可知,随着变形温度降低,铁素体平均 晶粒度普遍减小。在Ar,以上变形时,随着变形温 度的降低,铁素体平均晶粒度会减小 。相同变 ・56・ 特殊钢 第31卷 图1 790℃变形,在750℃(a),780 oC(b),810℃(e),840℃(d)初始冷却的B微合金化中碳钢组织形貌 Fig.1 Structure morphology of B mieroalloying medium—carbon steel deformed at 790 qC and initial cooling at 750℃(a),780℃ (b),810℃(c)and 840℃(d) 表2变形温度和初始冷却温度对B微合金化中碳钢铁素 体平均晶粒大小、体积百分含量的影响 Table2 Effect ofdeformation temperature and initial cool- ing temperature on ferrite average grain size and volume percentage in B microalloying medium-carbon steel 形量条件下,奥氏体晶粒越细,晶粒内部位错密度增 加,形核率增大,从而使铁素体晶粒变细 ’ⅢJ。 此外,铁素体百分含量受变形温度和初始冷却 温度影响的规律并不明显,但铁素体含量普遍较高。 当变形温度为790 oC,初始冷却温度为840 oC时为 最大值,达到64.5%,远高于同类型普通中碳钢的 54%l111。这是因为热变形过程中,应变产生大量能 量,促使OL相从( +Fe,C)大量析出,从而使铁素体 含量普遍偏高。 从图2中可以看出片状的Fe,C、熔断的Fe C和 粒状Fe C,这在一定程度上反映了珠光体的球化过 程。片状珠光体球化或粒化需经过两个过程:片状 渗碳体熔断;熔断的渗碳体球化 引。当试样快速冷 却到变形温度时,能量无法在短时间释放,变形温度 图2在760 oC(a),790℃(b),820℃(e)变形,780℃初始冷却的13微合金化中碳钢的珠光体形貌,SEM Fig.2 Morphology of peadite in B mieroalloying medium—carbon steel hot deformed 760 oC(a),790 oC(b)and 820℃(C)then initial cooled at 780℃.SEM 越低,来不及释放的能量就越多,从而为片状渗碳体 从图3(a)中可以看出,局部晶界处出现明显的 球化提供更多能量。因此会出现变形温度降低时, 碳富集现象。当材料发生热变形时,在奥氏体晶粒 内形成亚结构、高密度的位错,为碳原子的加速扩散 和铁素体的形核提供了条件,从而造成碳在 面处富集。 珠光体逐渐分散并部分球化的现象。而且在扫描电 镜下观察发现,不同变形温度条件下,都不同程度上 存在珠光体球化的现象,变形温度越低,珠光体球化 趋势越明显。 界 通过扫描能谱分析后发现,在晶界处存在一定 1 2 第5期 袁武华等:控轧控冷工艺参数对B微合金化中碳钢组织的影响 ・57・ 图3热变形后B微合金化中碳钢晶界处的碳富集,TEM Fig.3 Carbon richened at grain boundary in B microalloying medium—carbon steel after hot deformation,TEM 数量的BN颗粒,如图3(b)所示。在钢的冶金过程 中,Al作为一种脱氧剂而被加入到钢中,但是A1对 钢的高温塑性是有害的,这是因为Al会与N形成 A1N析出物导致的屈服强度增加问题l14,15],有利于 改善材料塑性变形性能。 3结论 细小的A1N颗粒,并在奥氏体晶界析出,AIN颗粒钉 扎了晶界,降低了奥氏体晶界的迁移率,从而使钢的 热塑性降低,这对热钢的轧制是不利的。 B是一种强的氮化物形成元素,Engl和 (1)变形温度一定时,铁素体平均晶粒度随初 始冷却温度的升高而增大;初始冷却温度一定时,平 均晶粒度随变形温度的降低而减小。热变形温度降 低,珠光体球化趋势更明显且铁素体百分含量增加。 (2)变形温度为790℃,初始冷却温度为840 ℃时为最佳工艺条件,此时铁素体含量最大值达到 64.5%,远高于同类型普通中碳钢的54%。 (3)在晶界处存在一定数量的BN颗粒。它的 Drewes t3j已证明虽然A1N比BN更稳定,但是在奥 氏体中它的形成速度要比BN颗粒慢得多。在奥氏 体中,B具有高的扩散速度(约是Al的200倍)与N 结合,因此BN要优于A1N析出。这种现象不仅削 弱A1N的细晶强化和沉淀强化作用,而且由于BN 析出物自身粗大,不影响奥氏体再结晶晶粒长大,几 乎没有细晶强化和沉淀强化作用,从而降低了细小 参考文献 惠卫军,于同仁,苏世怀,等.中碳钢球化退火行为和力学性能的 研究.钢铁,2005,40(9):60 Amo B,Hendrik J.Theoretical and Experimental Damage Prediction in Cold and Semi.hot Bulk Forming of Ductile Steels.Steel Research. 存在抑制了细小AIN的析出,有利于改善材料塑性 变形性能。 9 Xu Y B.Liu X H.Wang G D.Prediction onⅨGrain Size of Trans。 formed Austenite by TMCP.Journal of Northeastern University,2002, 23(2):144 10 Choo W Y,Lee J S,Lee C S,et al,Strain Induced Dynamic Transfor- mation of Austenite t0 Fine Ferrite and It’S Characteristics.CAMP— 20O5,76(2-3):210 Jia Y P,Wu D,Guo J,et a1.Online Controlled Cooling for Hot Rolled ISIJ 2000,13:1144 Beam.Iron and Steel,2006 41(7):45 Chown L H.Cornish L A.Investigation of Hot Ductility in A1一killed Boron Steels.Materials Science and Engineering,2008,494:263 Cho Y R.Kim S I.Effect of Boron Addition on the Mierostmeture and Mechanical Properties of Low—carbon Steels.Iron&Steel Technology. 11 田鹏,惠卫军,刘荣佩,等.形变参数对中碳钢组织演变的影 响.材料热处理学报,2005,26(4):69 12孙 维,华 刚,许 健,等.免退火高强度冷镦钢盘条 SWRCH35K-M的研制.安徽工业大学学报,2007,24(1):25 13 Banks K,Stumpf W.Inconsistent Flow Stress in Low Carbon Boron 2O04(3):46 Steels during Finishing.Material Science Engineering:A,2006,421: 307 Lo pez.Chipres E.Meji A I.Hot Ductility Behavior of Boron Mieroal— loyed Steels.Material Science Engineering:A,2007,464:460 Choi J K,Seo D H,Lee J S,et a1.Effect of Processing Parameters of Strain Induced Dynamic Tr爿nsformation on the Mierostructures and Mechanical Properties of Uhrafine grained Low Carbon Steels In:Pro— ceedings of First International Conference on Advanced StrueturaI 14雍岐龙,孙新军,刘清友,等.薄板坯连铸连轧时夹杂物在奥氏体 中形成与控制的理论考虑.特殊钢,2005,26(1):1 15 仇圣桃,肖丽俊,刘家琪,等.薄板坯流程连铸连轧含硼低碳热轧 带钢的软化机理.金属学报,2006,42(1 1):1202 Steels(ICASS 2002),Japan:2002:11 Hurley P J.Hodgson P D.Efieet of Process Variables on Formation of Dynamic Strain Induced Ultrafine Fetrite during Hot Torsion Testing. 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