钒对热处理双相钢相变组织的影响.pdf

第33卷第3期 2011年5月 上海金属 SHANGHAI METALS Vo1．33，No．3 May，2011 19 钒对热处理双相钢相变组织的影响 罗娟娟史文黄群飞李麟 (上海大学材料科学与工程学院，上海200072) 【摘要】 利用热膨胀法研究了含V双相钢和普通双相钢在连续冷却转变时的相变规律， 并结合金相、硬度等分析测试方法对处理后的试样进行了组织和性能的分析与比较，从而得到 了连续冷却转变曲线。结果表明：V的加入使钢的CCT曲线明显右移，对珠光体及贝氏体的转 变产生了抑制作用；扩大了产生马氏体的冷速范围，降低了奥氏体向马氏体转变的临界速度，从 而提高了钢的淬透性。钒的加入还扩大了两相区温度范围，有利于热处理工艺的制定。 【关键词】 钒双相钢CCT曲线组织 EFFECT oF VANADIUM ELEMENT oN THE TRANSFoRMATIoN STRUCTURE oF HEAT TREATMENT DUAL．PHASE STEEL Luo Juanjuan Shi Wen Huang Qunfei Li Lin (School of Materials Science and Engineering，Shanghai University) 【Abstract】Phase transformation pattern of vanadium—bearing dual—phase steel and plain dual- phase steel during continuous cooling was studied by dilatometry，and the CCT diagram was obtained by analyzing and comparing the structure and property combined with metallographic analysis and hardness measurement．The results showed that the addition of vanadium resulted the CCT curve significantly moved fight，and the pearlite and banite transformation was inhibited，the martensite transformation region were enlarged，and the critical speed of austenite transformation to martensite decreased，thus improve the hardenability of stee1．Finally，the dual—phase region was enlarged by addition of vanadium，which was beneficial to the establishment of heat treatment process． 【Key Words】 Vanadium，Dual-Phase Steel，CCT Curves，Microstructure 双相钢兼具低屈强比、高的初始加工硬化 速率、良好的强度和延性配合等特点，已被广 泛地应用于汽车工业上，在ULSAB项目中，双 相钢在轿车上的应用己达70％以上¨ 。双相 钢的生产方法主要有热轧法和热处理法。目 前，国内研究较多的是热轧双相钢，而对热处 理双相钢的研发较晚，因此开发热处理双相钢 的生产工艺就显得格外重要。研究和开发低 成本的热处理双相钢，对当今世界节约资源、 降低能耗和可持续发展具有重要的现实意义。 热处理双相钢中的合金含量较低，且以Mn、Si 等为主要添加元素，V可以增大奥氏体的淬透 性，降低临界冷却速度 。为此，本文为研究 V对热处理双相钢CCT曲线的影响，通过采用 热膨胀法测得相变发生和终了的温度点，得到 含V双相钢和普通双相钢两个钢种的CCT曲 线。并分析不同冷速下的连续冷却转变曲线 及组织转变规律，得出了V对双相钢冷却转变 曲线及组织的影响。 1试验材料及方法 试验原料采用热轧料进行车削和磨削，制成 CCT试验试样，试样截面尺寸为：4 mm x 10 Inm， 基金项目：国家自然科学基金(50671061)，并受国际钒技术委员会(VANITEC)资助 作者简介：罗娟娟，女，从事双相钢研究工作，kuangkuan uo@shu．edu．cn 20 上海金属 第33卷 其化学成分见表1，其中Dl钢为对比钢，D2钢 为含钒钢。采用膨胀法结合金相．硬度法测定试 样的曲线，具体步骤为：用DIL 805型膨胀仪将 试样加热至奥氏体化温度(950℃)，并保温一 定时间(D1保温5 min，D2保温10 min)，以保证 所有析出相全部溶入奥氏体并且基本均匀化。 然后以不同的冷速冷却(1it)冷至室温，得到其 膨胀曲线；用Neophot一21型光学显微镜分析转 变后的组织；用M-71型维氏硬度计测定试样的 维氏硬度，载荷0．2 kg，保载时间为5 S；根据不 同冷却速度膨胀曲线上的拐点(切点或极值 点)，结合金相组织和硬度数据确定不同冷速时 的相变温度。 -A 86l (a1DI钢 、===＼ 一 ＼ 、＼、＼ 表1 实验用钢的化学成分(质量分数，％) Table 1 Chemical composition of the experimental steel(wt％) 编号 C Mn Si V D1 0．¨ 1．35 0．28 D2 0．12 1．4l 0．28 0．066 2试验结果及讨论 2．1 CCT曲线 采用膨胀法并结合金相组织观察，绘制出了 D1和D2钢的CCT曲线，并且标出各个冷却速度 下的硬度值，见图1。其中，Ms代表马氏体转变 开始点，F代表铁素体转变区，P代表珠光体转变 区，B代表贝氏体转变区，M代表马氏体转变区。 ~,487'C (b)D2钢 S 专：、=—、‘ 、 __A。 兰 lo 100 1000 时间／s 图1 不同化学成分试验钢的CCT曲线 Fig．1 CCT curves of the test steels with different chemical compositions 从图1中可以看出，D1和D2钢的临界点 AC3、AC1和Ms分别为861、723、464℃和887、 720、457 oC。由于实验条件的限制，其中最高得 到冷速100℃／s的冷却曲线，皆没有得到完全的 马氏体组织，所以胍值为计算得出的理论马氏 体开始转变温度。 从D1钢的CCT曲线图可以看出：当冷却速 度低于8~C／s时，奥氏体中只析出铁素体和发 生珠光体转变，不发生贝氏体转变和马氏体转 变，转变产物为铁素体和珠光体(F+P)。当冷 却速度增大到9℃／s时，开始有贝氏体相变，此 时转变产物为铁素体、珠光体和贝氏体。进一 步提高冷却速度至10℃／s以上后，P转变基本 结束，最终得到铁素体+贝氏体的混合组织。 当冷却速度大于30℃／s时，开始出现马氏体转 变。同样，从D2钢的CCT曲线图可以看出：当 冷却速度增大到5 oC／s时，就开始出现贝氏体 组织。P转变结束的冷速大约在5—10℃／s范 围内。进一步提高冷速至2O℃／s以上后，开始 发生马氏体相变，最终得到铁素体、贝氏体和马 氏体的混合组织。 对比图1(a)、(b)中的硬度值可以看出：在整 个实验冷却速率范围内，随着冷却速度增加，过冷 度增大，形核率增加，D1和D2钢的硬度皆逐渐升 高。但同一冷却速度下，D2钢相变组织的的显微 硬度要明显高于D1钢所获得的相变组织的硬 度。 2．2钒对双相钢CCT曲线的影响 图3为D1和D2钢的CCT曲线对比图，实线 代表D1钢，虚线代表D2钢，即含V双相钢。 本试验中，Dl和D2钢的奥氏体化条件基本 相同，化学成分也差别不大，因此可以断定上述曲 哪 啪 哪 m Ⅲ Ⅲ Ⅲ Ⅲ Ⅲ Ⅲ 0 p＼ 咐 啪 晰 m 啪 啪 啪 m 枷 伽 0 p＼ 薅 第3期 罗娟娟等：钒对热处理双相钢相变组织的影响 21 警 ， _l1、 =：皇专 ……一 。 一 图2 D1和D2钢的CCT曲线对比图 Fig．2 Comparisons between CCT curves of D1 and D2 steels 线的变化是由V元素造成的。 从图2可以看出在相同奥氏体化温度和保温 时间的条件下，微合金元素钒的加入，使CCT曲 线明显右移，缩小了铁素体、珠光体、贝氏体转变 区间，降低了铁素体和贝氏体的转变温度，也就是 增加了钢的淬透性，降低了奥氏体向马氏体转变 的临界速度，理论Ms温度降低了7 cc 。从图 中还可以看出，对于普通双相钢，在冷却速度为 30 c【=／s时没有马氏体的转变，而对于含钒双相钢 来说，在冷却速度为30 qC／s时已经有马氏体产 生，所以钒的加入扩大了产生马氏体的冷速范围。 结果是钒使奥氏体向马氏体转变的临界速度降 低，也就是增加了钢的淬透性，从而有更宽范围的 冷却速度可供选择，对于生产中控制冷却工艺的 制定更为有利。最后钒的加入，使AC3的温度升 高了26℃，AC1降低了3℃，扩大了两相区的温 度区间，从而为在双相热处理时借改变加热温度 来调整马氏体量提供了灵便性。 这是因为钒是强碳化物形成元素，它lf3~H热 固溶于奥氏体中后，降低了碳的扩散速度，本身也 需要时间扩散，因而使相变进行缓慢，故增大过冷 奥氏体的稳定性，推迟过冷奥氏体的分解，使转变 曲线右移并且延迟先共析铁素体一珠光体转变的 作用比延迟贝氏体转变更显著；加之较高的锰含 量(1．4％左右)增强了钒锰的综合作用，促使碳 化物固溶，可大大提高奥氏体的稳定性，进一步抑 制先共析铁素体一珠光体的转变 J。此外，钒能够 使铁的奥氏体相区缩小，强烈地提高了相转变点 Acl的温度。 2．3 不同冷速下的显微组织 图3、4为D1、D2钢在部分冷却速度下所得 转变产物的金相组织。可见，D2钢与D1钢在不 同冷速下的显微组织基本相似。 对比图3和图4，可以发现，D2钢中多边形铁 素体的晶粒明显粗大。造成上述差别的原因可能 是D2钢的保温时间与D1相比延长了两倍，保温 时间较长导致奥氏体成分均匀、晶粒粗大，奥氏体 稳定性增加，最终使得铁素体晶粒明显粗大 。 图3 D1钢在不同冷却速度下的显微组织(×500) Fig．3 Optical micrographs of D1 steel under different cooling speeds(×500) Ⅲ 啪 m 枷 舌} 枷 m m Ⅲ 。 p、赵孵 22 上海金属 第33卷 图4 D2钢在不同冷却速度下的显微组织(×500) Fig．4 Optical micrographs of D2 steel under different cooling speeds(×500) 进一步比较两种材料在相同冷却速度下的显微 了奥氏体向马氏体转变的临界速度，增加了钢的 组织可以看出，含钒双相钢中贝氏体和马氏体的量 淬透性，有利于冷却工艺的制定。 显著增多，铁素体和珠光体的量明显减少，且珠光体 (2)含钒钢中贝氏体和马氏体的量显著增 转变结束的冷速和贝氏体及马氏体转变开始的冷速 多，铁素体和珠光体的量明显减少。 提前。如D1钢在冷速10~C／s时，对应的组织为铁 (3)合金元素钒还加宽了双相钢临界区处理 素体、珠光体和极少量贝氏体，而D2钢在此冷速下， 的温度范围，改善了双相钢的工艺性能。 珠光体已基本消失，贝氏体量明显增多。这说明添 加钒抑制了铁素体在奥氏体晶界的形核，从而减少 了铁素体，增加了贝氏体和马氏体组织。钒固溶时 先共析铁素体反应的延迟是由于溶质原子的拖曳效 应，钒在奥氏体．铁素体界面上的偏聚改变了碳从铁 素体中分离的扩散系数，降低了界面前进的速率。 钒显著延迟再结晶过程，使之产生了大的畸变积累， 所以促进了贝氏体和马氏体转变的形核数，使贝氏 体和马氏体的量增加。这就是说，在转变温度下，当 在奥氏体中有钒固溶时，固溶钒对于冷却过程中的 曲线与随后的相变有重要的影响。 3 结论 (1)合金元素钒的加入，使双相钢的CCT曲 线明显右移，扩大了产生马氏体的冷速范围，降低 参考文献 [1]黄群飞，何燕霖，李麟．高性能双相钢的研究进展[J]．热处 理技术与装备．2007，28(3)：13—14． [2]马鸣图，吴宝榕．双相钢一物理和力学冶金[M]．北京：冶金 工业出版杜，1988．6． [3]周晓锋，刘战英．钒对20MnSi钢组织和CCT曲线的影响 [J]．钢铁研究．2006，34(5)：10-13． [4]周李泉，余万华，刘靖，等．P510钢连续冷却转变的研究及 CCT图的计算机自动绘制[c]／／2005年中国钢铁年会论文 集．材料：741-744． [5]张中东，许兴，胡学文．新型低C-Mn双相钢变形及非变形过 冷奥氏体连续转变[J]．上海金属，2008，30(3)：21_24． [6]金自力，陈刚．Gleeblel500测定45钢CCT曲线的结果分析 [J]．包头钢铁学院学报，2004，23(4)：326-327． 收修改稿日期：2010-12—15 非调质钢研究应用在杭钢获重大突破 非调质钢可省去调质热处理工序和相应的装 备，避免了热处理过程中产生的废品，并减少污 染。杭钢集团目前共生产非调质钢12 000余t， 用户使用后省去调质工序，节约电能约1 000万 kWh，相当于节约标煤2 880 t，减少CO2排放 12 000 t，减少粉尘排放3 300 t。 罗扬供稿