通過快速加熱和回火細(xì)化高強鋼板中的滲碳體

1、材料科學(xué)論壇2007年第539-543卷通過快速加熱和回火細(xì)化高強鋼板中的滲碳體摘要：本文對使用高頻感應(yīng)加熱裝置以0.3到100K/S的加熱速率處理的低碳鋼中滲碳體析出性能進(jìn)行了研究。本次研究中所用的材料為焊接結(jié)構(gòu)用鋼板：即610和780MPa級別具有貝氏體和馬氏體混合顯微組織的鋼板。用碳提取復(fù)型法觀察了滲碳體，還檢測了硬度和韌性。當(dāng)以0.3K/S常規(guī)低速率加熱時，平均直徑72nm的相對較大的滲碳體顆粒在條狀晶界處析出，滲碳體被細(xì)化到54nm的平均直徑大小。以此方式細(xì)化滲碳體大大改善了韌性。另一方面，硬度于加熱速率無關(guān)，而是取決于回火參數(shù)。TEM對快速加熱過程中滲碳體析出方式的觀察揭示，滲碳體

2、在約773K溫度開始在條狀晶界處析出，在約873K溫度在條狀晶處析出。結(jié)論：以773K到873K溫度快速加熱有助于滲碳體細(xì)化，并最終改善韌性。還討論了例如銘、鑰或硅之類合金化元素在快速加熱和回火處理中對滲碳體長大的影響。關(guān)鍵詞：高強鋼板，回火處理，快速加熱，析出，滲碳體細(xì)化，銘，鑰，硅，提取復(fù)型法序言焊接結(jié)構(gòu)用（例如工程設(shè)備、工業(yè)機械和儲槽（罐）610MPa或更高強度鋼板具有貝氏體、馬氏體或貝氏體/馬氏體復(fù)合顯微組織。這些鋼板一般用調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)。在回火處理中，C以滲碳體（FeC）形式析出。滲碳體的形貌對鋼的力學(xué)性能有重要影響，并且有報道說，細(xì)小滲碳體的均勻分布是改善韌性、延伸率和抗氫脆性能等力

3、學(xué)性能有效的方法之一。所使用的試樣是具有馬氏體顯微組織的機器結(jié)構(gòu)或彈簧用中碳或高碳鋼。另一方面，已經(jīng)報道了有關(guān)焊接結(jié)構(gòu)用途低碳鋼快速加熱如何影響滲碳體分布和力學(xué)性能的一些研究。然而通過快速加熱細(xì)化滲碳體的機理并沒有充分澄清。止匕外，大量研究確認(rèn)了滲碳體析出方式在回火處理中受到例如Cr、Mo或Si等替代合金元素的影響。但是還沒有澄清這些元素在快速加熱時是如何影響滲碳體析出方式和力學(xué)性能的。在本次研究中，使用具有貝氏體和馬氏體混合顯微組織的低碳鋼研究了快速加熱和合金化元素對滲碳體析出方式和力學(xué)性能的影響。試驗程序本次研究中使用了焊接結(jié)構(gòu)用低碳高強鋼板。這些鋼板的化學(xué)成分示于表1.在1423K溫度奧

4、氏體化處理3.6千秒后，板坯被軋制到18或25mnff,終軋溫度范圍為11531173K,隨后打水直接淬火至523K以下。A鋼和B-H鋼的強度級別分別為780和610MPa具有貝氏體和馬氏體混合顯微組織。這些淬火試樣用高頻感應(yīng)加熱裝置以0.3100K/S范圍的各種加熱速率加熱到713953K的各個溫度，保溫600秒，并以0.5或200K/S速度冷卻到室溫。使用衍射電子顯微鏡(TEM和碳提取復(fù)型法觀察顯微組織和進(jìn)行滲碳體尺寸測量。為了評估滲碳體中Cr、Mo或Si含量，用提取復(fù)型法進(jìn)行了能量擴散X射線光譜儀(EDS定量分析。還以98N負(fù)荷、1mms板厚度間隔進(jìn)行了維氏硬度測量，還進(jìn)行了更比沖擊試驗

5、。表1.研究鋼種的化學(xué)成分(質(zhì)量為_51?司12P$UrMoOtbrniThickness(mm)abcdefgh4 OO 9 9 9 9 9 9 ouooooo iB I r- I I d | k 006000000 9-00002 12-247 o o o o o oL20.0120.0020X60j2V.Ti etc.25】.40,014O.CON(I.C20.01V C-2S1.40.01(30 m2C.3VIE140,0110.002(N?O.ljV 5；,|gL40.0120.0020N6V etc.ISL4C.0100.002-027V cTc,ISL40.0100.00?0 J

6、3V etcSL4。田100.002.0 13V clc.18結(jié)果和討論通過快速加熱和回火對滲碳體的細(xì)化。圖1顯示了加熱速度對滲碳體分布的影響。A鋼以在0.3100K/s范圍的速度加熱到873K,保溫10秒，以0.5K/S的速率冷卻。0.3K/S的加熱速度相當(dāng)于鋼板在保護(hù)氣氛回火爐內(nèi)回火處理鋼板時的速度。隨著加熱速度升高到3K/s,滲碳體逐漸被細(xì)化，滲碳體尺寸在這個加熱速度上始終保持不變。根據(jù)對滲碳體的密切觀察，平均直徑72nmffi對大的滲碳體在慢速加熱試樣中多分布在條狀晶界(圖1(b),而當(dāng)快速加熱時，平均直徑54nm的細(xì)小滲碳體均勻分布在條狀晶核條狀晶界內(nèi)(圖1(c)。圖2顯示了加熱過程

7、中滲碳7體的析出方式。A鋼以0.3或20K/S的速度加熱到773K或873K,最后不彳溫，以200K/S的速率冷卻。當(dāng)緩慢加熱時，滲碳體開始析出，并主要在約773K或以上溫度在條狀晶界長大。另外，當(dāng)快速加熱時，滲碳體在約873K或以上溫度在條狀晶內(nèi)析出，并且在773K或更高溫度時在條狀晶界析出。在條狀晶內(nèi)的析出是比較特殊的相對快速加熱的析出方式。圖3簡要顯示了加熱速度對滲碳體析出方式的影響。滲碳體在加熱過程中以相對較低的溫度優(yōu)先在條狀晶界析出，無論圖2所示的加熱速度如何。當(dāng)緩慢加熱時，開始在條狀品界析出的滲碳體通過吸收過飽和固溶體中的C在那里繼續(xù)長大，直到基體中的C含量達(dá)到一個平衡值為止。結(jié)果

8、，大尺寸滲碳體多分布在條狀晶界。另一方面，在快速加熱情況下，由于組織復(fù)原造成的位錯密度降低程度和在相同溫度慢速加熱相比要小，基體中的C含量沒有達(dá)到到達(dá)高溫之前的相當(dāng)值。結(jié)果，滲碳體開始從在作為形核位置的條狀晶內(nèi)的位錯析出。在快速加熱時，通過增加滲碳體析出位置數(shù)量，以相對高溫在條狀晶內(nèi)的滲碳體析出導(dǎo)致滲碳體的均勻分布。因此，特別是從在滲碳體開始在條狀晶界析出的溫度快速加熱到滲碳體在條狀晶內(nèi)位錯開始析出都?xì)w功于滲碳體細(xì)化。ifft3th*pg3|mlAhmiioiw4-wi09|圖1.快速加熱和回火造成的細(xì)化滲碳體均勻分布：（a,b,c）回火狀態(tài)873Kx10秒；（b）和（c）的加熱速度分別是0.

9、3和100K/S（=條狀晶界一條狀晶內(nèi)）圖2.滲碳體在加熱過程中的析出方式：（a,b）和（c,d）的加熱速度分別是0.3和20K/s；加，速和（b,d）分別是773K和873E（=條狀晶界一條狀晶內(nèi)）+ Time:diii-fua ofFcJCLai酬 Juin - FciCSfrJll armsiEi ： otfalibil cd 二吐Ic&llTti附& Ml.F/e jp3doM F。唱 蓑 hrnhm UUkZ 仆曲哨國 U InnKw R七:皿Nrrn-kLcnzpcnng電aJ litvFc3 CPa 網(wǎng)qnn &FclCdliMJlilg，口I 阻由 口HbcnH曲d溟一號力向馬

10、間中LljaHhriEi du pm 撫i Q Telf圖3.通過快速加熱和回火使細(xì)化滲碳體均勻分布的機理通過快速加熱和回火提高韌性。圖4顯示了快速加熱和回火對力學(xué)性能的影響。A鋼在0.3100K/S范圍各個速度加熱到833953K范圍內(nèi)的溫度，保溫10或600秒，以0.5K/S的速率冷卻。T.P.參數(shù)規(guī)定回火參數(shù)（T.P.）常規(guī)上已經(jīng)被用來預(yù)測回火后調(diào)質(zhì)鋼的硬度或強度。如下:（1）其中T,t和C分別表示回火溫度（K）、在回火溫度（h）的保溫時間和一個常數(shù)（=21.3-5.8X（質(zhì)量Q）o該參數(shù)一般作為經(jīng)驗公式，并且在保溫時間長到足以使保溫工藝在包括加熱和冷卻在內(nèi)的全部回火過程中幾乎主導(dǎo)所有熱

11、動力反應(yīng)的時候適用。當(dāng)保溫時間較短時，應(yīng)該考慮加熱和冷卻過程，以獲得有效的T.P.（回火參數(shù)）。本研究中的一些保溫時間比較短，因此計算了所有T.P.（回火參數(shù)），以包括本次研究中的加熱和冷卻工藝。圖4（a）顯示，不考慮加熱速度，硬度和T.P.有密切關(guān)系，圖4（b）顯示韌性僅同T.P.沒有關(guān)系，但是卻依賴于加熱速度。經(jīng)過快速加熱的試樣呈現(xiàn)出比慢速加熱試樣擁有更好的韌性。這表示細(xì)小滲碳體分布促使韌性得到提高。當(dāng)為了澄清導(dǎo)致滲碳體細(xì)化因素以0.3K/S慢速加熱時，在回火溫度時的保溫時間是10和600秒。圖4（b）表明導(dǎo)致滲碳體細(xì)化的因素不是較短的保溫時間，二十快速的加熱速度。為了將上述快速加熱和回火

12、技術(shù)應(yīng)用到高強鋼板的工業(yè)或生產(chǎn)上，研發(fā)了一種熱處理在線工藝（HOP。HOP是一種感應(yīng)加熱器，將其應(yīng)用到鋼板的工業(yè)化回火處理在世界上尚屬首次。表2顯示了用HOPt產(chǎn)鋼板的力學(xué)性能舉例。圖5顯示了通過HOFS火處理開發(fā)鋼種與在保護(hù)氣氛熱處理爐中回火處理的常規(guī)鋼種之間滲碳體分布和韌性對比。通過HOP回火處理的B鋼中滲碳體得到均勻細(xì)化，而且韌性得到改善，如A鋼一樣。據(jù)說，對于610和780MPea別鋼，細(xì)小滲碳體分布和優(yōu)異的韌性系通過快速加熱和回火獲得的。it瞋*I，eT白佐當(dāng)時ITbfeb阻當(dāng)fTrw*IC*圖4.789MPa強度級別A鋼回火參數(shù)和力學(xué)性能之間的關(guān)系HV10是厚度方向98N負(fù)荷下的平

13、均維氏硬度，vTrs是斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度Fig.工 Cemenuie reHncinent atid toughness improvement hy HOP lemperinp of steel B with 6 J 0 MPa class strengdL圖5.610MPa強度級別B鋼通過HOP0火處理后的滲碳體細(xì)化和韌性提高表2.通過HO刎火處理開發(fā)鋼種基體金屬的力學(xué)性能SteelAThicknsA(inmj25TensilepropertyCharpyimpactproperty(JISNo.LC-dErection)ISV-notcLL-direciicn)”SM呵萬天訕到El%VEH

14、QJ82187030203B2559567241336快速加熱時替代合金化元素對滲碳體析出方式的影響。圖6顯示了Cr量對滲碳體析出方式的影響。C鋼和E鋼以20K/s的速度加熱到873或953K溫度，保溫10秒并以0.5K/s速率冷卻。在本章中，加熱速度、保溫時間和冷卻條件都相同。當(dāng)在873K溫度回火時，在這兩種鋼的條狀晶界和條狀晶內(nèi)都觀察到細(xì)小滲碳體，和同快速加熱處理的A和B觀察到的一樣。當(dāng)在953K溫度回火時，在沒有添加Cr的C鋼中滲碳體粗大化，而在含0.26mass%Cr的E鋼獲得了細(xì)小滲碳體。圖7顯示了當(dāng)回火溫度從873提高到953K時Cr、Mo或Si含量對滲碳體長大和韌性轉(zhuǎn)變的影響。隨

15、著Cr或Mo含量的增加，滲碳體粗大化和韌性劣化程度被減輕，而Si在本研究中使用的條件下沒有影響滲碳體的長大。有報道介紹，有些合金化元素聚集在滲碳體中（Cr和M。或滲碳體與鐵素體界面（Si）,滲碳體顆粒的長大速度受到它們的擴散控制，從而減少了滲碳體粗大化。然而，多數(shù)對合金化元素在滲碳體和鐵素體之間分布的研究都是在平衡條件下進(jìn)行的，并且這些元素在滲碳體和鐵素體之間的分布方式尚未在快速加熱的非平衡條件下研究過。因此，Cr、Mo或Si在滲碳體中或在滲碳體和鐵素體之間界面的聚集方式借助于EDS使用提取復(fù)型法或聚焦粒子束法（FIB）加以研究。圖8顯示了953K溫度回火處理的E鋼中滲碳體EDS分析的結(jié)果之一

16、。該圖顯示滲碳體含有Cr和Mn圖9顯示了873或953K溫度回火處理的C-H鋼中滲碳體EDS定量分析的結(jié)果。為了確定滲碳體中的合金化元素含量，每個試樣分析了20個滲碳體顆粒。滲碳體中Cr和Mo含量同鋼中每個元素含量和回火溫度一樣增加，而滲碳體中Si含量無論Si量或回火溫度如何都沒有變化。為了檢測953K溫度回火處理H鋼中滲碳體和鐵素體之間Si的分布方式，用EDS定量分析了采用FIB法加工的滲碳體顆粒。滲碳體、鐵素體及其界面的定量分析值幾乎相同，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的分布現(xiàn)象?？梢远ㄕ?，Cr和Mo聚集在滲碳體中，降低了滲碳體的長大速度，而Si沒有聚集在滲碳體中，并且與滲碳體長大無關(guān)。當(dāng)通過快速加熱和回火處理方式在較大T.P.（回火參數(shù)）回火時添加Cr和Mo可以有效實現(xiàn)細(xì)小滲碳體的擴散。圖6.Cr量對滲碳體擴散的影響：（a,b）和（c,d）中的Cr量分別是0.00和0.26mass%）；（a,c）和（b,d）的回火溫度分別是873和953KL：在條狀晶內(nèi)）圖7.替代合金化元素對滲碳體長大和韌性轉(zhuǎn)變的影響:(a,b)Cr;(c,d)Mo;(e,f)Si圖8.滲碳體ED的析結(jié)果距離(E鋼在953K溫度回火處理)圖9.合金化元素量或回火溫度對對每個元素在滲碳體中的聚集方式的影響：(a)Cr；(b)Mq(c)Si總結(jié)快速加熱和