由于热轧双相钢生产线短,在后续冷却段具有较大的限制,这就经常要提高冷却速度,提高冷却速度虽然可以缩短相变时间、提高相变速度,但是却会导致铁素体析出量的降低,而铁素体的体积分数却极大地影响双相钢的力学性能,超快冷的使用对CSP的布置具有重大作用,超快冷可以加速前段冷却。先共析铁素体主要分为“棱边”形核和“晶界面”形核两部分,而冷却速度对“棱边”形核铁素体的抑制作用较低。本章通过控制相变前奥氏体晶粒尺寸的方法来研究“快速大量析出铁素体”的先共析转变对后续进行的剩余奥氏体转变的影响规律。


一、实验材料与实验工艺


 实验用双相钢选用浙江至德钢业有限公司真空冶炼炉冶炼,化学成分如表2-3所示。为避开双相钢板中心偏析,选取双相钢板厚度1/4处进行取样,机械加工成ф3mmx10mm的圆柱形试样,如图2-6所示。实验在MMS300实验机上进行。实验具体工艺如图3-10所示。以10℃/s的冷却速度加热到1200℃,保温300s后以10℃/s冷却到870℃,保温10s,消除温度梯度的影响。变形50%后以0.5℃/s、1℃/s、2℃/s、5℃/s、10℃/s、20℃/s的速度冷却到室温。


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二、实验结果及分析


 图3-11为双相钢在奥氏体化温度为900℃情况下得到的金相组织,从金相组织可以看到,在0.5~1℃/s时金相组织为F+P,而当冷却速度达到5℃/s时,开始发生了贝氏体转变。到了20℃/s时候,出现了少量马氏体,金相组织为F+B+M。


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  图3-12为奥氏体化温度为1200℃时得到的金相组织,从金相组织可以发现,当冷却速度为0.5~1℃/s时候得到的金相组织为F+P,而当冷却速度达到5℃/s时,出现了贝氏体转变,金相组织为F+B.图3-13为所获得的CCT曲线图。


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三、分析与讨论


 1. 奥氏体化温度与铁素体相变


  随着奥氏体化温度的降低,双相钢在不同冷却速度下得到的金相组织中,铁素体体积分数明显增加,且铁素体的形态发生了明显的变化。1200℃加热完全奥氏体化时,碳原子的扩散速度明显加快,奥氏体内的合金元素分布更为均匀,冷却时奥氏体向铁素体转变过程只考虑晶界形核或者是在奥氏体内的缺陷处形核。又由于完全奥氏体时奥氏体内的平均合金元素含量较高,抑制了铁素体相变过程,且铁素体的相变过程又受到锰等合金元素扩散过程的限制,生长速率较慢,所以铁素体出现了细长的片条状,并且少量存在于晶界位置。


  然而对于奥氏体化温度为900℃时,奥氏体化程度刚刚完成,还不够充分,多边形铁素体始终大量存在于实验钢的微观组织中,这可以用激发形核理论来形容这一现象。文献给出了铁素体激发形核功与新旧铁素体之间的取向角的关系图,铁素体可以在铁素体/奥氏体界面上激发形成,形成的铁素体与母体铁素体取向更为接近,铁素体/铁素体的界面能越低,对铁素体的形核也就更为有利。因此,铁素体/奥氏体界面上易于形成取向接近的铁素体。


 同时根据形核功理论,奥氏体化程度低时奥氏体向铁素体转变所需要的相变驱动力比完全奥氏体化后发生的相变驱动力要小得多。所以奥氏体化程度相对低时,奥氏体向铁素体转变过程更容易在更高的温度区间进行,CCT曲线的铁素体相变区域明显扩大。而且奥氏体化程度更低的情况下,铁素体的生长受到碳元素扩散过程的限制,生长速率较快,所以微观组织中始终有大量的铁素体存在。


 2. 奥氏体化温度与贝氏体相变


从图3-13中的CCT曲线图可以发现,完全奥氏体过程到奥氏体化程度较低的过程变化中,贝氏体的相变区域是增加的,然而区间扩大而体积分数是降低的,发生贝氏体转变的温度也是逐步降低。不同奥氏体化温度得到的贝氏体的形态差别也更大。


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   对于1200℃加热完全奥氏体化时,碳原子和合金元素在奥氏体中的含量较高且分布更为均匀,高温时候抑制了铁素体的相变使得奥氏体在中温阶段发生了大量的贝氏体相变,此时贝氏体是由铁素体板条和分布在其间的残余奥氏体组成的典型的无碳化物贝氏体。由于900℃加热,合金元素的扩散速度相对较慢,导致其在奥氏体内的分布更为不均匀,大量的合金元素存在于奥氏体晶界位置,碳原子扩散速度较快,在随后的冷却过程中更容易发生贝氏体转变,使得贝氏体开始转变温度点比完全奥氏体化温度时要提高很多。此时组织中不仅有大量的无碳化物贝氏体,还发生了粒状贝氏体的转变。


  由激发形核理论,两相区奥氏体化界面上容易激发形成取向更为接近的铁素体。在有取向的铁素体/奥氏体界面上,若贝氏体保持与铁素体相近的取向,使界面能尽可能地降低,则有利于贝氏体的形成。激发形核产生的关键是因为铁素体/铁素体的界面能较低使得系统能量降低,在晶界铁素体/原奥氏体界面上,取向与晶界铁素体越接近,贝氏体形核需克服的势垒越低。所以贝氏体可以在存在取向关系的晶界铁素体/原奥氏体界面上直接形核,且与铁素体保持一致。


  因此,奥氏体程度较低的情况时,奥氏体向贝氏体转变所需的相变驱动力比完全奥氏体化后的转变要小,但是奥氏体化程度较低使得奥氏体内的碳含量增加,贝氏体相变受到抑制。从我们所获得的实验结果分析,奥氏体化程度较低的情况下,贝氏体相变温度提高,但是相变温度区间确实扩大。这说明碳含量的影响更为主要,而相变驱动力的影响相对来说弱化。


3. 奥氏体化温度与珠光体相变


  珠光体相变驱动力只受合金元素在初始奥氏体内富集程度的影响,随着奥氏体化温度的降低,CCT图中的珠光体相变开始点也在逐渐降低。900℃加热时,由于合金元素在奥氏体内的分布更为不均匀,大量合金元素在奥氏体晶界富集,使珠光体相变驱动力降低,即使在冷速大于1℃/s时仍有珠光体的转变,相变区间较完全奥氏体化过程有所扩大。


  4. 奥氏体化温度与马氏体相变


 从双相钢金相组织与CCT曲线可以看出,900℃时在冷却速度为20℃/s出现了马氏体,而完全奥氏体化过程时组织还是铁素体+贝氏体。马氏体的相变过程是非扩散型相变,所以马氏体相变驱动力只受到合金元素在初始奥氏体内的富集程度的影响。同时相对于第2章中所测得的双相钢的Ms点来说,马氏体开始转变温度降低了。这是因为900℃加热时,奥氏体晶界位置富集了高的合金元素,马氏体相变驱动力降低,,这就解释了为什么马氏体转变温度相对于第2章的要降低的原因。同时,部分奥氏体化时,初始奥氏体中平均碳含量较高,而相同条件下碳含量越高,马氏体相变驱动力越低。