铁素体_马氏体双相钢的组织及性能
第31卷 第1期2010年
1月
材 料 热 处 理 学 报
TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENT
Vol.31 January
No.12010
铁素体/马氏体双相钢的组织及性能
左秀荣
1,2
, 陈蕴博, 王淼辉, 李 勇, 王红艳, 王振伟
11222
(1.机械科学研究总院先进制造技术研究中心 先进成形与装备国家重点实验室,北京 100083;
2.郑州大学物理工程学院,材料物理教育部重点实验室,河南郑州 450052)
摘 要:采用金相显微镜、SEM等试验方法,研究了中碳铁素体/马氏体双相钢的组织及性能。结果表明:在785~800e淬火,起始组织为铁素体加珠光体的A型组织钢和起始组织为马氏体的B型组织钢随两相区淬火温度的升高强度升高;原始组织不同两相区淬火后钢的组织及性能不同,经785e@30min淬火的B型组织钢强度明显高于A型组织钢,经800e@30min淬火的B型组织钢伸长率和断面收缩率高于A型组织钢;785e保温10min淬火的B型组织钢相比于A型组织钢奥氏体化过程加速,钢的强度及塑性均好于A型组织钢;两相区淬火具有双相组织的钢具有连续屈服和快速应变硬化现象及低的屈强比,785e@30min两相区处理的钢与调质处理的钢相比塑性低但强度明显提高,785e@10min两相区处理的B型组织钢强度略低于调质钢,但塑性略有增加。
关键词:P20钢; 双相钢; 微观组织; 力学性能
中图分类号:TG14213 文献标志码:A 文章编号:100926264(2010)0120029206
Microstructureandmechanicalpropertiesofferrite/martensitedual2phasesteel
ZUOXiu2rong, CHENYun2bo, WANGMiao2hui, LIYong, WANGHong2yan, WANGZhen2wei
1,2
1
1
2
2
2
(1.AdvancedManufactureTechnologyCenter,ChinaAcademyofMachineryScienceandTechnology,StateKeyLabofAdvancedFormingTechnologyandEquipmen,tBeijing100083,China;2.KeyLaboratoryofMaterialPhysics,
MinistryofEducation,SchoolofPhysicalScienceandEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450052,China)
Abstract:Microstructureandmechanicalpropertiesofdualphasesteelwithferriteandmartensitewerestudiedbymeansofopticalmicroscope(OM),scanningelectromicroscopy(SEM)andtensiletests.TheresultsshowthatforthesteelwithtypeAmicrostructureofferriteandpearliteandtypeBmicrostructureofmartensite,thestrengthincreaseswithincreasingintercriticalquenchingtemperatureintherangeof785~800e.Thedifferencesoftheirinitalmicrostructureresultinthedifferencesofthefinalmicrostructureandmechanicalproperitiesoftheintercriticallyquenchedstee.lStrengthofthequenchedsteelwithtypeBmicrostructureishigherthanthatwithtypeAmicrostructureafterintercriticalquenchingat785e
for30min.ElongationandreductionofthesteelwithtypeBmicrostructureare
for30min.Austenitingprocessis
for10min,whichresultsinfor30minpossesseslower
higherthanthatwithtypeAmicrostructurewhenthesteelisintercriticalquenchingat800e
acceleratedinthesteelwithmicrostructureoftypeBcomparedtotypeAforintercriticalquenchingat785estrengthandhardeningrate,continuousyieldingandlowyieldratio.Steelintercriticallyquenchedat785e785e
higherstrengthandplasticityoftheformerthanthelatter.Dual2phasesteelwiththemicrostructureofmartensiteandferriteexhibitshighplasticityandmuchhigherstrengththanthatquenchedandtempered.ThesteelwithtypeBmicrostructureafterintercriticallyquenchedat
for10minexhibitsalittlelowerstrengthandslightlyhigherplasticitycomparedtothatofthesteelquenchedandtempered.
Keywords:P20stee;ldualphasestee;lmicrostructure;mechanicalproperties
双相钢具有良好的强韧性和变形性能,在汽车工业中具有广阔的应用前景。双相钢通常合金元素含量较低、淬透性差,但在奥氏体和铁素体两相区加热,
收稿日期: 2009210229; 修订日期: 2009211227基金项目: 国家/8630计划项目(2007AA03Z511)
作者简介: 左秀荣(1967)),女,教授,博士,主要从事金属材料强韧化研究,发表论文50余篇,独著及合作专著各1部,E2mai:[email protected]。
奥氏体区富碳,随后冷却过程中转变成马氏体。最终组织为在韧性优良的铁素体基底上分布20%~25%硬度高的马氏体。双相钢由于其独特的组织特征,与
相似强度的低合金钢相比,具有高抗拉强度、低屈服强度、高伸长率,这也是其应用价值所在。双相钢两相区淬火前的组织状态决定了双相钢马氏体的形态,淬火加热温度及时间决定了马氏体的数量,冷却速度决定了奥氏体形成的新相的组成和各自所占百分比
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[123]
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(马氏体、先共析铁素体、珠光体、贝氏体)。以往2、图3可见,原始组织为珠光体加铁素体,铁素体上有大量的碳化物析出,含Cr、Mo的碳化物形状圆润,
含Cr的碳化物为长条形,此种组织硬度最低。由于P20钢含Cr、Mo、Mn等合金元素淬透性较高,室温空冷正火得到马氏体加贝氏体组织,硬度明显高于原始组织。正火后再经过炉冷退火的试样为珠光体加铁素体组织,硬度急剧下降,但珠光体片条间距较原始组织小,且与原始组织相比粒状碳化物较少,因此,硬度比原始组织高。正火后经860e@30min淬火的组织为马氏体组织,
硬度最高。
双相钢的研究多为低碳低合金钢,马氏体含量20%~25%,近年也进行了一些高马氏体含量钢的研究
[4]
。本研究选取塑料模具钢P20,研究不同前期组
织状态、淬火温度及保温时间对P20钢微观组织及力学性能的影响。
1 试验方法
试验用P20钢化学成分(质量分数,%)为:0137C,0148S,i0186Mn,1167Cr,0136Mo,01015P,01003S,其余为Fe。原始材料为热轧后空冷的厚板。采用860e@1h正火对原始材料进行热处理。正火后的试样,一部分进行860e@30min退火,另一部分进行860e@30min淬火。对退火及淬火的试样均进行785、800、815和830e保温30min的两相区淬火及785e保温10、30和50min的两相区淬火。退火后经两相区淬火的试样用A型组织钢表示,淬火后经两相区淬火的试样用B型组织钢表示。图1为P20钢两相区淬火工艺过程。另选取一组试样进行860e@30min+620e@60min
调质处理。
图2 P20钢两相区淬火前的热处理过程及硬度变化
Fig.2 HardnessofP20steelafterdifferent
pre2heattreatment
212 两相区热处理温度对P20钢组织及性能的影响图4为两相区淬火温度对试样力学性能的影响。
由图4可见,经785~800e保温30min淬火,A型组
图1 P20钢两相区淬火工艺Fig.1 Schematicdiagramofintercritical
quenchingprocessforP20steel
织和B型组织钢屈服强度、抗拉强度随淬火温度的升高而升高;经800~830e保温30min淬火,钢的屈服强度几乎不变,而A型组织试样的抗拉强度变
化较小,B型组织试样的抗拉强度有所减小。经785e淬火的A型组织试样的抗拉强度及屈服强度均明显低于B型组织钢;经800~830e淬火,除830e淬火的B型组织钢明显低于A型组织试样的抗拉强度外,A型组织和B型组织试样的抗拉强度、屈服强度差异不大。A型组织钢的伸长率和断面收缩率在800e最低,而后升高;B型组织钢的伸长率和断面收缩率随淬火温度的升高逐渐降低。B型组织钢经800e淬火,虽强度与A型组织试样差异不大,伸长率和断面收缩率明显高于相同淬火温度的A型组织试样,之后低于A型组织钢。
图5为两相区淬火试样的微观组织。双相钢的
用各种热处理状态的试样制备SEM试样,用JSM26700F冷场发射扫描电子显微镜观察试样的微观形貌。用TH300洛氏硬度计测量试样硬度,采用金刚石压头,在1471N载荷下加载2s测量,每个试样测5个点,取其平均值。用MTS810材料实验机进行力学性能的测试,拉伸试样标距长度为25mm,直径为5mm,试样拉伸速度为110mm/min。
2 试验结果及分析
211 P20钢两相区热处理前的组织及硬度分析
图2为试样两相区淬火前的热处理过程及硬度变化。图3为试样两相区淬火前的微观组织。由图
图3 P20钢两相区淬火前的微观组织
Fig.3 MicrostructureofP20steelafterdifferentpre2heattreatment
(a)as2received;(b)normalized;(c)annealedafternormalizing;(d)quenchedafternormalizi
ng
图4 P20钢两相区淬火温度对试样力学性能的影响
Fig.4
InfluenceofintercriticalquenchingtemperatureonmechanicalpropertiesofP20steel
力学性能由其化学成分、相组成及相分布决定。由图5可见,淬火温度从785e到830e,在奥氏体和铁
素体两相区加热,奥氏体区富碳,随后冷却转变成马氏体,随着淬火温度的升高,马氏体越来越多,铁素体越来越少。起始组织为铁素体加珠光体的A型组织钢,加热时奥氏体在珠光体上形核,消耗珠光体,最后
[5]
形成的马氏体被限制在珠光体球团内,铁素体呈多边形状,边界平直;785e淬火,马氏体及铁素体上均有一些未溶的碳化物;800e淬火,铁素体明显减少,其上的碳化物几乎全部溶解,但铁素体仍保持多
边形状;815、830e淬火,几乎全部为马氏体组织。785e淬火,由于铁素体含量较多,强度较低,但伸长率和断面收缩率较高;800~830e淬火,虽有少量铁素体存在,此温度区间强度变化不大,但800e淬火伸长率和断面收缩率达到最低值,之后回升。起始组织为马氏体的B型组织钢,785e加热时奥氏体在马氏体板条界、板条束界、原始奥氏体晶粒边界形核,最终的铁素体呈长条状,边界粗糙,铁素体上几乎没有碳化物颗粒,与相同淬火温度的A型组织钢试样相比,未溶碳化物明显减少,说明马氏体中
图5 P20钢两相区淬火试样的微观组织
Fig.5 MicrostructureofP20steelafterdifferentpre2heattreatmentandthenintercriticalquenching(a),(c),(e),(g),(i)typeA;(b),(d),(f),
(h),(j)typeB(a)annealedat860e
(b)quenchedat860eat785e
afternormalizing;
for30min;
afternormalizing;(c),(d)intercriticallyquenched
for30min;(i),(j)intercriticallyfor30min
for30min;(e),(f)intercriticallyquenchedat800e
quenchedat830e
(g),(h)intercriticallyquenchedat815e
含碳量更高,因此,强度明显高于相同淬火温度的A型组织试样;A型组织、B型组织钢中785e淬火的马氏体中均含有较多的针状马氏体,主要为淬火温度低、马氏体少,马氏体含碳量高所致,之后板条马氏体增多。B型组织钢经800e淬火,铁素体明显减少,呈条状,更均匀分布在马氏体板条间,虽强度与A型组织试样差异不大,伸长率和断面收缩率明显高于相同淬火温度的A型组织试样,主要由于800e淬火,仅有的少量铁素体,对钢的强度影响较小,但对塑性影响较大,A型组织试样多边形的集中分布的铁素体较之B型组织试样中的均匀分布的条状细小铁素体
导致伸长率和断面收缩率较低。815、830e淬火,B型组织钢几乎全部为马氏体组织,强度与相同淬火温度的A型组织试样相差不大,伸长率及断面收缩率小于A型组织钢,主要由于经815~830e淬火的A型组织钢板条马氏体多于B型组织钢,从而使塑性好于B型组织钢;A型组织钢经815~830e淬火板条马氏体的增加使其塑性好于该钢经800e淬火的铁素体分布不均的组织;但由于B型组织钢中针状马氏体较多,B型组织钢经815~830e淬火塑性低于该钢经800e淬火的铁素体分布均匀细小的组织。2.3 两相区加热时间对P20钢组织及性能的影响
时间的增加而增加,B型组织钢的强度在785e@10min淬火最低,保温30min淬火明显提高,保温50
min与30min淬火相比变化不大。伸长率及断面收缩率随保温时间的增加而降低,相同淬火保温时间,B型组织钢的断面收缩率高于A型组织钢。图7为经785e不同保温时间淬火的试样的微观组织。由图7可见,P20钢含有0137%的C和较高的Cr、Mo,增加了渗碳体的稳定性,785e保温10min奥氏体化过程不完全,不能使A型组织钢原始组织珠光体中片状渗碳体完全溶解,大部分仅断裂、弯曲或球化(见图7(a)),奥氏体在渗碳体颗粒上形核,
[6]
可降低转化激活能,因此奥氏体化之前,先进行渗碳体的球化;淬火保温30min,原始组织已转变成奥氏体加铁素体组织,淬火形成马氏体加铁素体组织,强度较保温10min试样增加,但铁素体上的碳化物颗粒较多;淬火保温时间增至50min,碳化物进一步溶解,马氏体含碳量进一步增加,强度进一步提高。
原始组织为马氏体的B型组织钢,785e保温10
图6 785e不同保温时间淬火对P20钢力学性能的影响Fig.6
InfluenceofholdingtimeonmechanicalpropertiesofP20steelintercriticallyquenchedat785e
[2]
min加热时奥氏体在马氏体板条界、板条束界,原始
奥氏体晶粒边界形核,同时马氏体分解形成大量的微细粒状的碳化物(见图7(b)),近一步增加了形核点,更有利于奥氏体的形核和长大,相比于A型组织钢,奥氏体化过程加速,此时钢的强度及塑性均好于A型组织钢;淬火保温30min,马氏体已完全转变成
图6为785e不同保温时间淬火对P20钢力学
性能的影响。由图6可见,A型组织钢的强度随保温
图7 P20钢785e不同保温时间淬火处理的试样的微观组织
Fig.7 MicrostructureofP20steelintercriticallyquenchedat785efordifferentholdingtmie(a),(c),(e)typeA;(b),(d),(f)typeB (a),(b)intercriticallyquenchedat785efor10min;(c),(d)intercriticallyquenchedat785efor30min;
(e),(f)intercriticallyquenchedat785efor50mi
n
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表1 不同热处理状态P20钢的力学性能
第31卷
奥氏体和铁素体组织,且铁素体上的碳化物颗粒已完全溶解,淬火保温时间增至50min,强化变化不大。2.4 不同热处理的P20钢的力学性能比较
图8为P20钢的应力应变曲线。表1为不同热处理状态下P20钢的力学性能。由图8可见,两相区淬火具有双相组织的钢,具有连续屈服和快速应变硬化现象,主要归功于铁素体中可动位错的存在。在应变过程中原有的可动位错由于位错间的交互作用或位错滑移到界面而固定,但连续塑性变形所需应力快速增加到新可动位错形核和滑移的水平,从而产生快速加工硬化
[7]
Table1 MechanicalpropertiesofP20steel
afterdifferentheattreatment
Heattreatment
TypeA,785e@30minTypeB,785e@30min
typeB,785e@10min
Rb/MPaR0.2/MPaD/%[1**********]
[1**********]21
2.0
W/%R0.2/Rb6.70.6268
2.011.60.627114.240.50.689913.256.10.8899
860e@30min+620e@60min1035
注:表中D根据GB228287校正后得到,图中的应变为引伸计测量。
3 结论
1)在785~800e两相区淬火,起始组织为铁素
体加珠光体的A型组织钢和起始组织为马氏体的B型组织钢随淬火温度的升高,马氏体越来越多,从而使强度升高;
2)原始组织不同,两相区淬火后的组织及性能不同,785e淬火时B型组织钢未溶碳化物明显少于A型组织钢,马氏体含碳量更高,强度明显高于A型组织钢;经800e淬火的A型组织钢中集中分布的块状铁素体较之B型组织钢中的均匀分布的条状细小铁素体使得伸长率和断面收缩率降低;
3)A型组织钢785e保温10min奥氏体化过程不完全,仅使原始珠光体中片状渗碳体断裂、弯曲或球化;B型组织钢的奥氏体在马氏体板条界、板条束界、原始奥氏体晶粒边界和马氏体分解形成大量的微细粒状的碳化物上形核,使奥氏体化过程加速,785e保温10min淬火后强度及塑性均好于A型组织钢;
4)两相区淬火具有双相组织的钢具有连续屈服和快速应变硬化现象及低的屈强比,785e@30min两相区处理的钢与调质处理的钢相比塑性低但强度明显提高,785e@10min两相区处理的B型组织钢强度略低于调质钢,但塑性略有增加。
。785e@30min处理的B型组织钢
强度最高,A型组织钢次之。主要由于马氏体及铁素体双相组织及处理前组织的不同导致的马氏体、铁素
体及碳化物数量及分布不同造成的。860e@30min+620e@60min处理钢的组织为回火索氏体,与785e@30min处理的钢相比,强度低但塑性明显提高。785e@10min处理的B型组织钢强度略低于调质钢,但塑性略有增加。由表1可见,与调质状态的钢相比,
双相钢具有低的屈强比。
图8 P20钢应力应变曲线Fig.8 Stress2straincurvesofP20steel
参
考
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