浙江至德鋼業有限公司在雙相不銹鋼的TMCP工藝研究中,充分利用冷卻裝置控制軋后相變,綜合利用細晶強化、相變強化以及控制空冷過程中的析出強化來獲得韌性良好的材料。通過奧氏體連續冷卻轉變曲線-CCT的研究,可以確定雙相鋼熱軋過程中的相變溫度、冷卻速度等參數。通過熱模擬實驗還可以確定熱處理過程中的加熱溫度、淬火溫度等重要工藝參數。通過繪制CCT曲線,了解雙相不銹鋼的相變規律,確定各種冷卻速度下得到的顯微組織,為制定合理的軋制工藝提供理論依據。


 CCT是指在一定的冷卻速度下,過冷奧氏體在一個溫度范圍內所發生的轉變,用來確定實驗鋼的連續冷卻轉變曲線和轉變后的顯微組織。連續冷卻過程實際上是過冷奧氏體通過了由高溫到低溫的整個區間。連續冷卻速度不同,到達各個溫度區間的時間以及在各個溫度區間停留的時間也不同,這樣實驗鋼在連續冷卻過程中,由于冷卻速度、奧氏體變形等條件的影響,會得到包括先共析鐵素體、多邊形鐵素體、針狀鐵素體、珠光體、貝氏體以及馬氏體等不同組織,同時還會有殘余奧氏體等第二相。


一、實驗材料及實驗設備


 1. 實驗材料


 實驗鋼選用實驗室真空冶煉爐冶煉,化學成分如表2-3所示。為避免中間偏析,選取雙相鋼板寬度1/4處進行取樣,靜態熱模擬實驗試樣機械加工成如圖2-6所示。動態熱模擬實驗則加工成φ8mmx15mm的圓柱試樣。


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 2. 實驗設備


  靜態熱模擬實驗在全自動相變儀 Formaster-FII實驗機上進行。Formaster-FII是一臺可以測試鋼、鐵等金屬材料靜態相變溫度的儀器,其測量范圍很寬,為-150~1400℃.相變儀采用高頻感應加熱和氣體噴霧冷卻來實現溫度的精確控制,采用普通銅管噴嘴進行冷卻,以及差動相變測定系統進行膨脹測量。實驗前在電焊機上將R型熱電偶焊在試樣凹槽的正中心,并用絕緣管將熱電偶套裝,以免實驗過程中兩根熱電偶接觸,影響加熱效果。實驗在真空系統中進行,一般冷卻氣體為氮氣。


  動態熱模擬實驗采用軋制技術與連軋自動化國家重點實驗室自主開發研制的MMS-300熱模擬機。該實驗機包括計算機控制系統、熱學控制系統和力學控制系統三個主要控制系統,計算機終端、主控單元、試樣單元、液壓動力單元和真空單元5個設備單元,以及淬火系統、繪圖儀等構成。



二、實驗方法


  實驗工藝過程如圖2-7與圖2-8所示。靜態熱模擬實驗將試樣以10℃/s的速度加熱到1200℃,保溫300s后以10℃/s的速度冷卻到950℃后,保溫30s以消除試樣內部的溫度梯度,然后分別以0.5℃/s、1℃/s、2℃/s、5℃/s、10℃/s、20℃/s、40℃/s的冷卻速度冷卻到室溫。


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  動態熱模擬實驗與靜態熱模擬實驗類似,只是在950℃保溫30s后變形50%,變形后再分別以0.5℃/s、1℃/s、2℃/s、5℃/s、10℃/s、20℃/s、40℃/s的冷卻速度將雙相不銹鋼冷卻到室溫。


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  記錄冷卻過程中試樣的溫度-膨脹量曲線,進而進行CCT曲線的測定,并通過LEICAQ550IW 光學顯微鏡觀察所得試樣的光學顯微組織,通過分析膨脹曲線和顯微組織確定實驗鋼的相變溫度,并繪制CCT曲線。熱膨脹法測定CCT曲線實驗工藝參數如表2-4所示。



三、實驗結果及分析


1. 金相組織分析


將所得試樣沿軸向切開,經過研磨拋光,用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后,在LEICA DM 2500M圖像分析儀上進行顯微組織觀測,并測定各組織含量。腐蝕后的光學顯微組織如圖2-9所示。


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 從圖2-9的雙相不銹鋼靜態熱模擬實驗的金相組織可以看出,隨著冷卻速度的增大,其顯微組織轉變情況為:冷速為0.5℃/s、1℃/s和2℃/s時,組織為F+P+B,并隨冷速的增加,P含量逐漸減少,在組織中的分布更為彌散,并且由于晶粒長大受到抑制使得F晶粒尺寸減??;冷速為5℃/s時,不再發生P轉變,組織為F+B雙相組織,并隨冷速的增加,B含量增多,板條變細,貝氏體和鐵素體向奧氏體晶內平行生長;當冷卻速度大于20℃/s時,組織基本為貝氏體;而當冷速大于40℃/s后時,發生了馬氏體轉變,組織為B+M。





  從圖2-10的動態熱模擬實驗的金相組織可以看出,隨著冷卻速度的增大,雙相不銹鋼的顯微組織轉變情況為:冷速為0.5℃/s和1℃/s時,組織為F+P,并隨著冷速的增加,P含量逐漸減少,在組織中的分布更為彌散,并且由于晶粒長大受到抑制使得F晶粒尺寸減??;冷速為2℃/s時,開始發生貝氏體轉變,組織為F+B+P三相組織,并隨著冷速的增加,B含量增多,板條變細,貝氏體和鐵素體向奧氏體晶內平行生長。當冷卻速度大于40℃/8時,仍有少量鐵素體存在。


 2. CCT曲線及其分析


  在加熱及冷卻過程中會發生組織轉變,由于雙相不銹鋼中各相的線膨脹系數和比容的不同,導致雙相鋼在發生相變時會伴隨有微量的體積膨脹或收縮,即但凡發生奧氏體分解、鐵素體相變的過程都將伴隨著體積膨脹。雙相鋼中各相的比容由大到小的排列順序為馬氏體、貝氏體、珠光體、鐵素體、奧氏體。因為雙相不銹鋼在不同的冷卻速度下會發生不同程度的相變,如果測出開始膨脹或收縮所對應的溫度,和結束膨脹或收縮所對應的溫度,就可以近似確定相變開始和終了溫度,連線便可得到鋼的CCT曲線圖。根據雙相鋼中各相線膨脹系數和比容的相互不同的原理,熱膨脹法是目前最常用的一種測定變形奧氏體相變溫度的方法。運用相似性原理,通過熱模擬機模擬現實生產中雙相不銹鋼的加熱和冷卻過程,用膨脹儀測量加熱及冷卻過程中鋼的膨脹量變化,通過計算機分析處理,繪制溫度-膨脹量的關系曲線。


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  實驗過程中Formaster-FII差動相變測定系統測量膨脹,記錄儀記錄溫度。膨脹量曲線。將實驗數據用Origin軟件繪圖后,結合金相組織確定組織成分后,計算并描繪出膨脹曲線上的特征點,即相變開始點和相變結束點,進而確定冷卻過程中各組織成分的相變溫度。本書采用切線法以及杠桿原則來確定相變開始點和相變結束點,即把熱膨脹曲線上的純熱膨脹(或純冷收縮)的直線段延長,以曲線開始偏離的位置即切點所對應的溫度作為臨界點。圖2-11即為確定相變點的示意圖,圖中Ts和Tf,分別為相變開始點和相變結束點。


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  當相變組織由兩相及兩相以上組成,而膨脹量-溫度曲線上只有一個拐點。這是由于試樣在設定的冷速范圍內奧氏體轉變為各相時是連續進行的,沒有明顯的分界點,不能引起膨脹曲線的明顯變化,故需結合金相法,測定各相百分含量,應用“杠桿定律”在膨脹量-溫度曲線上確定相變點,并且在線上,珠光體相變開始點P。即是鐵素體相變結束點F,,貝氏體的相變開始點B.即是珠光體相變結束點。這里引用實驗鋼冷速為2℃/s時采用“杠桿定律”確定鐵素體、珠光體、貝氏體的相變開始點和相變結束點,如圖2-12所示。


 通過金相照片測定出各相組織體積分數a,根據膨脹曲線上拐折區的膨脹量,并結合杠桿定理計算第二相轉變溫度。轉變產物的相對量可按式(2-1)求得。通過切線法作出的實驗鋼靜態CCT曲線如圖2-13所示。從圖2-13的CCT曲線結合金相組織,可以看出實驗鋼的靜態CCT圖相變區域主要由A→F轉變區域、A→B轉變區域組成。其中A→F轉變溫度區間大體為665~580℃,A→B轉變溫度區間大體為531~501℃.冷卻速度小于2℃/s時,出現的組織為F+P+B,冷卻速度大于5℃/s組織為F+B,當冷卻速度大于20℃/s時組織均為貝氏體。


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  從圖2-14的CCT曲線結合金相組織,可以看出實驗鋼的動態CCT圖相變區域主要由A→F轉變區域組成。其中A→F轉變溫度區間大體為668~808℃.從圖2-14的動態CCT曲線結合金相組織,可以看出冷卻速度小于5℃/8時,出現的組織為F+P,未出現貝氏體組織;冷卻速度大于5℃/s組織為F+B,當冷卻速度大于40℃/s時組織仍有貝氏體出現。



四、析與討論


1. 冷卻速度對相變組織的影響


  結合圖 2-11 ~ 圖2-14 可以看出。隨著雙相不銹鋼冷卻速度的增大,過冷奧氏體連續冷卻的相變點降低,未變形時,實驗鋼在0.5~40℃/s的范圍內均獲得了貝氏體組織,而經過50%變形后,雙相鋼在小于2℃/s的范圍內組織只有鐵素體和珠光體,而不出現貝氏體,這是由于變形提高了鐵素體的開始轉變溫度,整個相變過程加速。同時在40℃/s的時候,變形后還繼續出現大量的鐵素體組織,這是由于變形過程縮短了奧氏體向鐵素體轉變的孕育期,加快相變速度,同時變形導致奧氏體內部的缺陷密度大幅度增加,這些缺陷一方面可以儲存大量的畸變能,另一方面又有利于鐵原子和碳原子的擴散,因此,變形會導致鐵素體在奧氏體組織中的形核位置增加,形核率提高,從而縮短奧氏體向鐵素體轉變的孕育期,擴大了鐵素體的相變區間。此外,隨著冷卻速度的增加,貝氏體的形態也發生了逐步改變。


 2. 變形對相變組織的影響


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  奧氏體連續冷卻轉變過程中,在相同的0.5℃/s冷速下,經過50%變形后的試樣的顯微組織中出現了多邊形和準多邊形鐵素體以及珠光體,而未經變形的試樣中則出現了貝氏體組織,見圖2-15。經過變形后的貝氏體區域明顯縮小,主要是因為,變形使奧氏體的晶粒尺寸明顯減小,提高了切變相變的阻力,同時變形使雙相不銹鋼中產生了很高密度的位錯,抑制了以切變機制轉變的貝氏體相變。因此,變形促進了鐵素體相變,在一定程度上抑制了貝氏體相變。一個重要的原因是,由于變形可以促進奧氏體晶粒長大和晶界轉動,從而使得晶界處原子的混亂度增大,增加了晶界能,其結果是促進先共析鐵素體的形核。另外一個重要的原因便是,熱變形奧氏體中新相的形核位置增多,主要表現在奧氏體晶粒因變形而被拉長,增加了單位體積內奧氏體晶界的面積。再結晶過程細化了奧氏體晶粒,增加了單位體積的奧氏體晶界面積,奧氏體內部位錯密度高的區域成為形核位置。變形區域由于大量位錯的存在而處于高能量狀態,在變形帶存在大量聚集的位錯,形核將會使位錯消失而降低能量,使系統向穩定狀態轉變,因而變形帶區域也將是優先形核的區域。