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【新刊速览】杨永坤:低碳合金钢带状组织控制研究现状

时间:2023-04-20 来源: 浏览:

【新刊速览】杨永坤:低碳合金钢带状组织控制研究现状

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低碳合金钢带状组织控制研究现状
杨永坤 1 ,朱佳雨 1 ,李小明 1 ,王阳 1 ,战东平 2
(1. 西安建筑科技大学冶金工程学院, 陕西 西安 710055;2. 东北大学冶金学院, 辽宁 沈阳 110819)

01

摘 要  

铁素体/珠光体带状组织是低碳合金钢热轧过程常见的组织缺陷,不仅恶化钢材横向塑性及韧性,而且严重影响后续加工零部件的使用寿命。近年来,带状组织的控制一直是高品质钢研究的重点之一。为了充分认识带状组织,综述了国内外关于带状组织形成机理、影响因素及控制方法的研究现状,指出了带状组织控制思路及方向,为今后学者研究提供一定的启发和参考。分析发现,合金元素偏析是带状组织形成的必要条件,而铁素体形核、长大以及碳元素的扩散是带状组织形成的决定条件。元素富集区和贫化区的铁素体形核速率差是影响带状组织形成的直接原因,提高热轧后冷却速率不仅可以降低不同区域铁素体形核速率差异,而且可以减少碳元素扩散距离,抑制带状组织的形成。此外,再结晶获得较大奥氏体晶粒尺寸,可以降低单位体积铁素体形核核心,阻碍铁素体生长平面形成,影响元素偏析带的连续性,进而破坏带状组织的形成。但是较快冷却速率下形成的魏氏体组织和较大奥氏体晶粒相变生成的粗大铁素体均不利于基体性能。固态相变过程中,利用氧化物冶金技术可以调控晶内铁素体形成和先共析铁素体的生长方向,改善微观组织和力学性能各向异性,实现带状组织的控制。

02

关 键 词  

低碳合金钢; 带状组织; 形成机理; 固态相变

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引 言 

1带状组织形成机理
低碳合金钢是汽车、铁路机车、工程机械等领域广泛应用的合金钢关键材料,是保证核心部件安全的重要原材料,对其质量和性能要求极其苛刻。带状组织是低碳合金钢常见的有害组织。常见的带状组织类型主要有铁素体/珠光体带、铁素体/马氏体带、贝氏体/马氏体带、碳化物带以及夹杂物带等。对于低碳合金钢而言,带状组织一般指热轧缓慢冷却下形成的铁素体/珠光体带,微观组织如图1所示。
对于带状组织的研究,最早可以追溯到20世纪初期,其常被称为“铁素体线”或“幽灵线”。1931年,Carpenter H C H等对带状铁素体形貌进行了描述和归类,至此带状组织一词被普遍认识和接受。带状组织按形成机理可以分为一次带状组织和二次带状组织,其中一次带状组织是钢液在凝固过程由于选分结晶,枝晶偏析所致,也称为原始带状组织;二次带状组织是钢材在热加工后产生的沿加工方向平行排列、层状分布、形同条带的组织,也是行业常说的带状组织。
凝固过程钢中合金元素偏析是形成带状组织的必要条件。1915年,Stead J E发现磷元素微观偏析与铁素体带有一定的关联性,富磷带与铁素体带存在对应关系。但是随着研究的深入,行业人员认为尽管磷偏析对带状组织的形成有一定影响,但是带状组织应该是多种合金元素共同作用的结果。一般而言,钢中合金元素扩散系数要小于碳扩散系数,这导致凝固过程形成的枝晶偏析无法通过轧制前的加热保温过程完全消除,这也是形成铁素体/珠光体带的重要原因。
合金元素偏析对带状组织形成的影响主要体现在两方面:一方面是合金元素对碳元素扩散的影响;另一方面则是合金元素对奥氏体-铁素体相转变温度Ar3的影响。对于前者,锰、铬等合金元素会降低碳的活度,致使碳在元素富集区不易扩散,而硅、镍等合金元素则可以提高碳的活度,促进碳在元素富集区向其他区域扩散。而对于后者,以钢中常见合金元素锰偏析为例进行详细介绍。由于凝固过程元素的选分结晶,枝晶间锰质量分数要明显高于枝晶内,而锰作为奥氏体区稳定元素,锰富集区的Ar3转变温度要小于锰贫化区。随着温度的降低,铁素体优先在锰贫化区形核、长大,且多个铁素体晶粒将会连接,并在生长前沿形成生长平面。由于碳在铁素体中溶解度较小,随着奥氏体-铁素体相转变的进行,铁素体中的碳逐渐被排出到锰元素富集区的奥氏体中,进而在后续相变中形成珠光体带。
图2所示为低碳钢铁素体/珠光体带形成示意图。其中图2(a)为试样在900 ℃加热保温5 min后的组织示意图,A代表奥氏体晶粒,双黑色实线间B区域代表锰元素偏析带。在奥氏体分解初期,当冷却速率较低时,先共析铁素体优先在锰贫化区的奥氏体晶粒交叉点或晶界处形核,如图2(b)所示;随着先共析铁素体形核长大,锰贫化区内多个铁素体穿越奥氏体晶粒连接形成生长平面,如图2(c)~(e)所示,其中,C、D、E、F、G和H代表不同形核位置的先共析铁素体;在奥氏体分解末期,随着先共析铁素体平面的生长,残余奥氏体和锰富集区的碳含量增加,在后续相转变时形成珠光体(P)带,如图2(f)所示。
因此,合金元素偏析是带状组织形成的必要条件,而铁素体/珠光体带状组织形成的决定条件则在于:(1)铁素体的形核和长大;(2)碳元素的扩散。其中,铁素体长大常伴随γ/α界面迁移和元素扩散,在合金元素偏析的基础上,只有当先共析铁素体晶粒连接成一个平面且生长迁移一定距离,保证碳元素可以扩散至低Ar3转变温度处,才会形成铁素体/珠光体带。

04

精 选 图 表  

    

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结  论 

(1)合金元素偏析是带状组织形成的必要条件,而铁素体/珠光体带状组织形成的决定条件则在于铁素体形核、长大以及碳元素的扩散。
(2)带状组织易引起钢材力学性能各向异性,其对钢材轧制方向力学性能影响不大,但对钢材横向韧性和塑性会产生负面影响。
(3)提高热轧后冷却速率以及再结晶获得较大奥氏体晶粒均可抑制带状组织形成,但相变后形成的魏氏体组织和粗大铁素体晶粒不利于基体性能。
(4)氧化物冶金技术可以调控晶内铁素体形成和先共析铁素体的生长方向,改善微观组织和力学性能各向异性,实现带状组织的控制,相关控制机理有待进一步研究。

来源:《钢铁》2023年第4期

END

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