粒状贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响
第４３卷第７期
２
００
钢
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铁
ａｎｄＳｔｅｅｌ
Ｖ０１．４３。Ｎｏ．７
８年７月
ｊｕｌｙ２００８
粒状贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响
于庆波１，段贵生２，
孙
莹１，
赵贤平２，王斌２
（１．徐州工程学院机电学院，江苏徐州２２１００８；２．安阳钢铁集团公司技术中心，河南安阳４５５００４）
摘要：在化学成分相同的条件下，分别研究了粒状贝氏体、铁素体一珠光体对低碳合金钢强度、塑性、冲击韧性的影响。结果表明：低碳粒状贝氏体钢比铁素体一珠光体钢具有更高的强度和冲击韧性，而且粒状贝氏体组织对钢的强化方式不仅仅足细品强化和位错强化，弥散强化也是强化方式之一。关键词：粒状贝氏体；铁素体一珠光体；冲击韧性；弥散强化
中图分类号：ＴＧｌ４２．４
文献标识码：Ａ
文章编号：０４４９—７４９Ｘ（２００８）０７一００６８—０４
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ＥｆｆｅｃｔｏｆＧｒａｎｕｌａｒＢａｉｎｉｔｅ
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ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＬｏｗ—ＣａｒｂｏｎＳｔｅｅｌ
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ＤＵＡＮＧｕｉ—ｓｈｅｎ９２，
ＳＵＮＹｉｎ９１，
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（１．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＸｕｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎ０１０９ｙ，Ｘｕｚｈｏｕ２２１００８，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ｝
２．Ｔｅｃｈｎ０１０９ｙＣｅｎｔｅｒ，ＡｎｙａｎｇＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＧｒｏｕｐＣｏｒｐ．，Ａｎｙａｎｇ４５５００４，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｇｒａｎｕｌａｒｂａｉｎｉｔｅ，ｆｅｒｒｉｔｅ—ｐｅａｒｌｉｔｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．
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ｔｈａｎｔｈａｔｏｆｆｅｒｒｉｔｅ—ｐｅａｒｌｉｔｅｓｔｅｅｌ．ＡｎｄｆｏｒｇｒａｎｕＩａｒｂａｉｎｉｔｅｓｔｅｅｌ，ｎｏｔｏｎｌｙｇｒａｉｎｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈｅ—ｎｉｎｇ，ｂｕｔａｌｓｏｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ
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近年来，由于ＴＭＣＰ工艺的采用，使低碳钢和超低碳钢的显微组织往往会出现等轴铁素体（ＰＦ）、准多边形铁素体（ＱＦ）、珠光体（Ｐ）、粒状贝氏体（ＧＢ）和板条贝氏体（ＬＢ）等不同种类的组织［１￣３］，因此，钢板的力学性能也就由这些组织共同决定，而且在这些组织中以粒状贝氏体组织最为常见，粒状贝氏体是在高密度位错的铁素体基体上，弥散分布着由马氏体和残余奥氏体组成的小岛，这些小岛通称为Ｍ—Ａ岛（ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ—ａｕｓｔｅｎｉｔｅｉｓｌａｎｄ），由于这些小岛呈颗粒状，故称为粒状贝氏体。
笔者在化学成分相同的条件下，进行了粒状贝
Ｔａｂｌｅ
ｌ
氏体钢与铁素体一珠光体钢在强度、塑性、韧性方面的对比试验，目的是进一步研究粒状贝氏体组织对低碳钢强度、塑性、韧性等力学性能的影响。
１试验材料及方法
试验在安阳钢铁公司进行，试验钢化学成分见表１。工艺流程为：铁水预处理一１２０ｔ转炉冶炼一炉外精炼（ＬＦ＋ＶＤ，Ｃａ处理）一连铸一板坯加热一
３
５００
ｍｍ炉卷轧机轧制一层流冷却一热矫直一冷试验钢连铸板坯厚度为１５０ｍｍ，板坯加热温
床冷却。连铸机和炉卷轧机的布置见图１。
表１试制钢板的化学成分（质量分数）
ＣｈｅｍｉｃａＩ
ｃｏｍｐ璐ｉｔｉ蛐ｏｆｔ豁ｔｐｌａｔｅ％
图１
Ｆ萱ｇ．１
Ｓｃｈｅｍａ“ｃ
安钢连铸机和炉卷轧机的布置
ｓｔｅｃｋｅｌｍｉｌｌｏｆ
ｏｆ∞ｎｔｉｎｕｏ雌ｃ踮ｔｅｒ蛐ｄＡｎｙ蜘ｇＩｒｏｎａｎｄＳｔ∞ｌＣｏｒｐ０髓ｔｉｏｎ修订日期：２００８一０３一０３
作者简介：于庆波（１９７０一）。男，博士，副教授；Ｅ－ｍ址ｌ：ｙｕｑｂｌ９７０＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ；
第７期于庆波等：粒状贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响
度为１２００～１２５０℃，采用两阶段轧制。第一阶段
方面，钢板Ａ的冲击功要远大于钢板Ｂ；在冲击功转折温度方面，钢板Ａ同样表现出良好的低温韧性，在一６０℃仍然具有很高的冲击功，而钢板Ｂ尽管在室温下具有较高的冲击功，但当温度刚降至ｏ℃时，其冲击功急剧降低，已经表现为脆性断裂。当温度降至一６０℃，它的冲击功只有１２Ｊ，已经是完全的脆性断裂。
表３工业试验钢板的强度和塑性
ＴａｂＩｅ３
ＳｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｄｕｃｔｉｌｉｔｙＯｆ
ｔｅｓｔ
为奥氏体再结晶区轧制阶段，在这一阶段（１
ｏｏＯ℃
以上）奥氏体变形和再结晶同时进行，所得到的奥氏体晶粒由于再结晶的发生而比较细小，此阶段道次压下率大于１５％。第二阶段为奥氏体未再结晶区轧制阶段，在这一阶段内（９２０℃～Ａｒ３）形变奥氏体晶粒被拉长，在被拉长且未再结晶的奥氏体晶粒内形成高密度位错和形变带，同时微合金碳、氮化物也会因为形变而诱导析出，此阶段道次压下率大于１０％。试验钢经过控制轧制后从奥氏体区直接开始进行层流冷却，使钢板从奥氏体区过冷到所设定的
终冷温度。
ｐｌａｔｅ
本次试验共轧制两块板坯，通过表２可以看到，板坯号为Ａ和Ｂ的两块钢板的加热温度、粗轧开轧温度、精轧开轧温度、终轧温度基本相同，不同的是钢板的终冷温度和冷却速度。钢板Ａ采取的是热轧后以层流冷却的方式进行冷却，终冷温度为５００℃，冷却速度是１２℃／ｓ；而钢板Ｂ采取的是热轧后以空冷的方式进行冷却，冷却速度是２℃／ｓ。
表２工业试验轧制的工艺参数
７ｒａｂｌｅ２
ＲＯＩＩｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ０ｆｉｎｄＩ略ｔｒｉａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
２．２显微组织
试验结果表明，在相同的化学成分和热轧工艺条件下，由于热轧后冷却速度的不同，最终所得到的钢板在力学性能方面存在显著的差异。通过对这两块钢板的显微组织观察发现，钢板Ｂ的显微组织是由多边形铁素体＋珠光体组成（见图２），而且多边形铁素体晶粒比较粗大，平均晶粒直径为１８．７
ｌ上ｍ，
珠光体呈块状分布。因为细化晶粒既可以提高钢的强度又可以提高钢的韧性，但是由于钢板Ｂ的铁素体晶粒较粗大，加之珠光体中片状渗碳体的存在必然有利于裂纹的扩展，造成钢板的韧性变差。
而钢板Ａ的显微组织几乎全部由粒状贝氏体组成，见图３。由图可见大量细小的Ｍ—Ａ岛均匀弥散地分布在铁素体基体上。在粒状贝氏体形成过程中，从过冷奥氏体析出的铁素体最初是板条状，而且板条状铁素体具有较高的位错密度，因此与铁素体一珠光体钢相比，粒状贝氏体钢之所以有更高的强度是因为它有更细的铁素体板条（见图４）和更高的位错密度，是细晶强化和位错强化这两种强化方式综合作用的结果。然而，笔者认为对粒状贝氏体钢而言，其强化方式不仅仅是这两种方式。因为在粒状贝氏体组织中除去铁素体组织外，还存在着大量细小的第二相，即Ｍ—Ａ岛（见图５）。由于Ｍ—Ａ岛是硬质相，而且这些Ｍ～Ａ岛是以细小弥散的方式析出，所以它们能够与位错发生交互作用，阻碍位错
２试验结果与讨论
２．１
力学性能
由于钢板热轧后的冷却方式不同，因此造成钢板在力学性能方面存在较大差异，见表３和表４，拉伸试样均沿钢板横向截取获得。由表３可以看到，经过层流冷却后的钢板Ａ，其屈服强度、抗拉强度分别比未经层流冷却的钢板Ｂ高１３５ＭＰａ和８０ＭＰａ，尽管强度相差明显，但强度高的钢板Ａ仍然具有很好的塑性，它的伸长率（２０％）与低强度的钢板Ｂ的伸长率（２２％）十分接近。另外，值得注意的是二者在冲击韧性方面相差十分明显。在冲击韧性
表４工业试验钢板在不同温度下的冲击功
ＴａｂＩｅ４
Ｔｏｕｇｈｎ麟ｏｆ
ｔｅｓｔ
ｐｌａｔｅ
ａｔ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ
钢铁
第４３卷
（ａ）表面；（ｂ）板厚１／４处图２钢板Ｂ的显微组织Ｆｉｇ．２
Ｍｉｃｒ惦ｔｍｃｔｕｒｅｏｆｐｌａｔｅＢ
（ａ）表面；（ｂ）板厚１／４处
图３工业试验钢板Ａ的显微组织
Ｆｉｇ．３
ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＯｆｐＩａｔｅＡ
图５粒状贝氏体的ｓＥＭ照片
图４粒状贝氏体的ＴＥＭ照片Ｆｉｇ．４
Ｆｉｇ．５
Ｇｒａｎｕｌａｒ
ｂａｉｎｉｔｅ。ＳＥＭ
Ｇｒ粕ｕｌａｒ
ｂａｉｎｉｔｅ
ｔ
ＴＥＭ
尽管第二相Ｍ—Ａ岛是粒状贝氏体钢的强化方
的运动，即通过弥散强化的方式提高钢的强度。因此，与铁素体一珠光体钢相比，粒状贝氏体钢是通过细晶强化、位错强化、弥散强化３种方式共同提高钢
的强度。
式之一，但它的存在也破坏了材料基体的连续性，会在第二相周围的基体中或多或少地使点阵产生畸变，这必然要影响材料的断裂行为，从而影响材料的韧性。然而，低碳粒状贝氏体组织之所以具有高的
第７期于庆波等：粒状贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响
低温冲击韧性是由其显微组织决定的，因为它的板条铁素体与多边形铁素体有着显著差别。图５是低碳粒状贝氏体组织的ＳＥＭ照片，它是由细小的铁素体板条和Ｍ—Ａ岛组成，Ｍ—Ａ岛分布在铁素体板条内部，细小的铁素体板条具有更小的有效晶粒尺寸，能有效地阻止裂纹的扩展。这些弥散分布的Ｍ—Ａ岛细小并且近似呈球状，与具有片状、尖角形状的第二相相比，球状第二相更能够减小应力集中，可以避免断裂时成为裂纹的萌生源和裂纹的低能量扩散通道。另外，Ｍ—Ａ岛在基体中是以不连续的方式分布，岛与岛之间具有一定的距离，由于中间是具有良好韧性的板条铁素体，裂纹更不易扩展，所以不连续分布的Ｍ—Ａ岛避免了裂纹连续扩展通道的形成。因此，Ｍ—Ａ岛的存在，在增加钢强度的同时并未明显地降低钢的韧性和塑性。
目前，一般认为仅有细化晶粒可以既增加钢的强度又可以提高钢的韧塑性，然而通过控轧控冷工艺，以相变强化方式得到低碳粒状贝氏体组织也可以取得同样的效果。
３
体钢比铁素体一珠光体组织钢具有更高的强度和冲击韧性。
（２）粒状贝氏体组织对钢的强化方式不仅仅是细晶强化和位错强化，弥散强化也是强化方式之一。
（３）不仅细化晶粒可以既增加钢的强度又提高钢的韧塑性，通过低碳粒状贝氏体的相变强化也可以有同样的效果。
参考文献：［１］
ＬＩｕ
ｔｉｏｎ
Ｄｓ，ＬＩｕｘｏｆ
Ｈ，ｗＡＮＧ
ＧＤ，ｅｔａ１－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔａｂｉｌｉｚａ—
Ｔｒａｎｓ—
ＤｅｆｏｒｍｅｄＡｕｓｔｅｎｉｔｅ
ｉｎ
ａ
Ｄｕｒｉｎｇ
Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ
Ｄｉｅｓ
Ｃｏｏｌｉｎｇ
ｆｏｍａｔｉｏｎ
ｃ—Ｍｎ—Ｃｒ－Ｎｉ—ＭｏＰ】ａｓｔｉｃ
ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ａｃｔａ
ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，１９９８，１ｌ（２）：９４．
［２］ｓＨＡＮＧＣＪ，ｗＡＮＧＸＭ，ＹＡＮＧ
ｅｔ
ｓ
ｗ．ＲｅｆｉｎｅｍｅｎｔｏｆＰａｃｋ—
ＳｉｚｅｉｎＬｏｗｃｏｎｔｒｏＩ
ＣａｒｂｏｎＢａｉｎｉｔｉｃＳｔｅｅｌｂｙＳｐｅｃｉａｌＴｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎ—
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｓｃｉｅｎｃｅ
ｉｃａｌ
Ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．
ａｎｄ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，
２００４，１１（３）：２２１．
［３］
ＬＩＵ
Ｒａｔｅｓ
Ｄｓ，ＬＩＵＸＨ，ｗＡＮＧ
ＧＤ，ｅｔａ１．Ｅｆｆｅｃｔ
ｏｆｃｏｏｌｉｎｇ
ｏｎ
ａｎｄＣｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＡｕｓｔｅｎｉｔｅ
Ｂａｉｎｉｔｉｃ
Ｐ２０
ＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒＰｌａｓｔｉｃＤｉｅＡＩＳＩ
Ｓｔｅｅｌ［ｊ］．ＩＳＵＩｎｔ，１９９８’，３８（５）：４８２．
结论
（１）在化学成分相同的条件下，低碳粒状贝氏
七电电电电七弋七七电女弋七弋电七弋电弋七电女电电女七七电电女七七电七电电弋电弋七七电女七电七女七电
（上接第４３页）
［８］
Ｔｏｍｉｔａ
Ｙ．Ｆｒａｃｔｕｒｅ
４３４０
Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ
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Ｕｌｔｒａ—ｍｅｎｔ
ｏｎ
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ｈｉｇｈ－ＳｔｒｅｎｇｔｈＳｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，
口］．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，１９９０，２１Ａ（９）：２５５５．
［１１］
Ｔｏｍｔａ
ｏｎ
１９９０，２１Ａ（１０）：２７３９．Ｙ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＤｅｓｕｌｐｈｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｃａｌｃｉｕｍＴｒｅａｔｍｅｎｔｓ
［９］ＬｕｙｃｋｘＬ，ＢｅｌｌＪＲ，ＭｃＬｅａｎＡ．ｓｕｌｆｉｄｅｓｔｒｅｎｇｔｈ
Ｉ。ｏｗ
ｓｈａｐｅｃｏｎｔｒ０１ｉｎＨｉｇｈ
ｔｈｅＩｎｃｌｕｓｉｏｎＭｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｏ．４ｃ．ＣｒＭ０－Ｎｉｓｔｅｅｌ［Ｊ］．
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ｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｊａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ，１９９４，２９（１２）：２８７３．
１９７０，１（１２）：３３４１．
［１２］
Ｄｅｃｒｅａｓｅｄ
ＡＳＴＭｕｍｅ
Ｅ５６２一０２ｓｔａｎｄａｒｄＴｅｓｔ
ＭｅｔｈｏｄｆｏｒＤｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ
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［１０］ＴｏｍｔａＹ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆ
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ＲｅｄｕｃｔｉｏｎＴｒｅａｔ—Ｆｒａｃｔｉｏｎ
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