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知识篇:合金元素在贝氏体钢中的作用

贝氏体钢作为新世纪新钢种之一,从含碳量的角度分为高碳贝氏体钢、中碳贝氏体钢、低碳贝氏体钢。中高碳贝氏体钢以高硬度、合金成分简单和成本低等优势应用于电厂、矿山、航空、等领域。低碳贝氏体钢被广泛应用到建筑、桥梁、车辆、飞机构件和轴类件等领域。随着社会的不断发展,各行业对钢铁材料的需求量逐渐增加。贝氏体钢在实现高强、高韧的同时又兼具良好的焊接性能,成为了最具潜力的钢种,因此,贝氏体钢是超高强钢发展的一个重要方向。

研究贝氏体转变及其制备技术,对于提高和改善钢的强韧性及综合性能,具有重要的理论意义和工程应用价值。为了在连续冷却过程中获得淬透性足够高的贝氏体组织(图1),通常需要在贝氏体钢中加入合金元素。

图1 (a)260°C、(b)350°C和(c)400°C下等温淬火高碳钢的光镜(左)、扫描电镜(中间)和透射电镜(右)图像。γb为块状残余奥氏体,γf为片状残余奥氏体,αBF为板条贝氏体

 

(1)Si

硅元素抑制渗碳体析出,稳定残余奥氏体,促使无碳化物贝氏体的形成。随着Si含量提高,相变组织逐渐细化,粒状贝氏体减少,无碳化物贝氏体增多,贝氏体板条得到细化。当Si含量为1.66%时,无碳化物贝氏体组织为大致平行排列的板条束,宽度在0.1~0.5μm。贝氏体板条间为薄片状组织。当Si含量从1.29%提高到1.66%时,强化方式以组织细化为主,强度和塑韧性同时提高;继续提高Si含量至2.27%,强化方式以固溶强化为主,组织细化效果不再明显,力学性能表现为强度提高,塑性基本不变,而韧性略有下降。

(2)Mn

①扩大奥氏体相区,降低相变温度,细化相变组织;

②具有较强的固溶强化作用,但锰量过高,会降低韧性。在低碳贝氏体钢中,锰量一般不超过2%;        

③显著提高淬透性和硬度,延迟低碳钢形变强化相变进程。

不含Mn元素时,钢在Ms温度附近的转变产物为贝氏体铁素体、残留奥氏体和仿晶界型铁素体混合组织;当含Mn元素时,钢在Ms温度附近转变产物为下贝氏体,基体组织由板条状的贝氏体铁素体和片状的残留奥氏体组成。

随着Mn含量的提高,贝氏体钢强度提高,而塑性降低。

(3)Mo

①能有效延迟高温铁素体相变,降低Ms温度;

②促进贝氏体转变,并扩展贝氏体转变区,在宽范的冷速下获得贝氏体组织;

③显著提高钢的强度;

④强烈提高奥氏体的淬透性;

⑤细化奥氏体组织,抑制裂纹萌生与扩展,改善疲劳性能。

(4)Cr

作为Mn系空冷贝氏体钢合金体系中最常用的主要合金元素之一,可有效地调控贝氏体钢的微观组织及力学性能。其对铁素体/珠光体转变及马氏体转变影响较小,但是对贝氏体转变影响较大。

其特点是:当Cr含量由0.2%提高至0.5%时,贝氏体转变的冷却范围将由0.1~8℃/s缩减为0.1~1℃/s,同时贝氏体转变温度区间也明显减小;

Cr对贝氏体的形态及分布具有显著影响,当Cr为0.2%时,贝氏体形态以粒状贝氏体和板条上贝氏体为主,但是当Cr提高至0.5%时,观察到了“柳叶状”的下贝氏体组织;

Cr显著提高贝氏体钢的硬度,这与Cr影响贝氏体转变温度区间,进而影响贝氏体形态有关。

(5)B

硼在各类低碳贝氏体钢中应用较普遍。但其添加量极少,0.001%(质量分数)的硼就可以显著地提高淬透性,含量一般控制在0.0005%~0.003%。

其主要作用机理是偏聚于奥氏体晶界阻碍铁素体在晶界上形核。当硼含量过高而冷速不足时,硼原子有充分的时间向奥氏体晶界迁移聚集,在冷却过程中沿晶界析出网状富硼相,易造成硼脆。低碳贝氏体钢中硼含量宜控制在0.0025%以下,当含量大于0.0025%时,如冷速不足,可形成正火和回火不易消除的低温脆性。在较宽的冷速范围内,随着硼含量的增加,贝氏体数量趋于增多,这主要与硼元素抑制铁素体在晶界处形核,使贝氏体转变曲线右移有关。

(6)Nb

①在机械加工中,可通过形变诱导Nb(CN)的析出抑制奥氏体再结晶来获得超细的贝氏体组织,改善钢的强韧性;

②在固溶状态下,可使奥氏体更加稳定,提高钢的淬透性;

③Nb与Mo复合添加能促进贝氏体相变。

近年来的工作表明,铌除限制碳元素扩散之外,还对铁素体/奥氏体相界的迁移产生强烈的阻碍作用。在高铌(0.1%~0.26%)低碳(<0.02%)钢中,仅通过限制碳扩散已不能显著地抑制铁素体相变,但由于铌原子对相界的阻碍作用,铁素体在连续冷却过程中很难长大。在空冷条件下,Nb细化低碳Mn系列钢中的贝氏体板条束,增加钢中的贝氏体含量。