鈮對高碳鋼連續冷卻過程中相變和珠光體片層間距的影響

楊超飛，吳慶輝 ，陳 穎 ，王慧敏 ，楊忠民

（鋼鐵研究總院結構材料研究所，北京100081）

0 引 言

高碳鋼線材是制造輪胎鋼絲及彈簧鋼絲等的重要原料，其質量及性能的優劣備受關注。目前，通常采用微合金化以及優化控冷生產工藝提高其綜合性能［1］。

微合金元素鈮在低碳鋼中的作用已經研究的相當廣泛和深入，加入適量鈮可以細化其晶粒，提高晶粒的粗化溫度（即提高高溫區奧氏體晶粒的穩定性）以及鋼的屈服強度和沖擊韌性［2］。然而，在高碳鋼中加入鈮的作用如何，到目前為止，相關文獻研究多集中在升溫階段鈮元素可以有效抑制奧氏體晶粒長大、細化奧氏體晶粒方面，而對鈮微合金化高碳鋼的連續冷卻轉變行為和組織轉變規律的研究則少見報道。高碳鋼在低冷速下的轉變組織以珠光體為主，Elwazri等［3］和 Gladman［4］的研究認為，珠光體片層間距是決定珠光體強度的最重要因素；Hiroyasu等［5］通過控制珠光體片層間距至0.1μm以下，得到了抗拉強度超過1 300MPa的鋼軌鋼；李翼［6］等的研究表明微合金元釩對珠光體的片層間距具有減小作用，但鈮對珠光體片層間距的影響機制未被討論。

為此，作者在普通高碳鋼中加入微合金元素鈮，研究了鈮元素對高碳鋼在連續冷卻過程中奧氏體組織轉變和珠光體片層間距的影響，期望為制訂合理的控冷工藝，充分發揮微合金元素的作用提供理論基礎。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為5kg的高碳鋼鋼錠，其中一個含鈮，另一個不含鈮，其化學成分見表1所示，其主要設計原則是在保證碳、硅、錳含量不變的情況下加入微量鈮，以研究鈮對高碳鋼在連續冷卻過程中相變的影響。將鋼錠鍛造成φ16mm的棒材，鍛后進行850℃正火。

用Thermo－Calc軟件計算該鋼共析點的碳含量（質量分數）分別為0.716%，0.724%，可知1＃和2＃試驗鋼的碳含量均小于共析點碳含量，故試驗鋼應為亞共析鋼；兩種鋼的共析點碳含量差別為0.008%，差別很小，可見，微量鈮對試驗鋼共析點碳含量的影響很小。

表1 試驗鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical compositions of tested steels（mass）%

1.2 試驗方法

加工出直徑為10mm、長為100mm的試樣，在Gleeble 1500型熱模擬試驗機上進行加熱及冷卻試驗，獲取繪制CCT曲線所需數據，依據YB 5128—1993［7］制定熱膨脹法的試驗方案如圖1所示，其中650～850℃之間的升溫速率為200℃·h－1，這是為了準確測試驗鋼的Ac1（組織開始轉變為奧氏體時的溫度）和Ac3（組織完全轉變為奧氏體時的溫度）；在1 200℃保溫2min主要是為了使鈮盡可能完全溶解；以不同的冷速冷卻至室溫，記錄下膨脹曲線以測相變溫度，通過熱電偶測試樣溫度。

圖1 熱模擬試驗方案Fig.1 Scheme of thermal simulation test

將上述試樣在中間熱電偶焊接處切割出若干個長為10mm的小圓柱體，將其打磨、拋光、腐蝕后在光學顯微鏡（OM）下觀察組織，在掃描電鏡（SEM）下測珠光體的片層間距，并在Vickers硬度計上測硬度。

2 試驗結果與討論

2.1 鈮對試驗鋼CCT曲線的影響

依據得到的熱膨脹曲線知，1＃試驗鋼的Ac3＝795℃，Ac1＝746℃，Ms＝240 ℃；2＃試驗鋼的Ac3＝797℃，Ac1＝747℃，Ms＝242℃?？梢钥闯?，鈮的加入對Ac3，Ac1，Ms等轉變溫度影響不大。將準確測得的連續冷卻過程中奧氏體轉變為其它組織的開始溫度和結束溫度列于表2中，由Ar3－Ar1計算相變溫度區間。

表2 試驗鋼在不同冷速下的轉變開始溫度、硬度和轉變溫度區間Tab.2 Transformation temperatures，hardness and width of transitiontemperature region of tested steels at the different cooling rates

由圖2可知，在0.1，0.3，0.6℃·s－1低冷速條件下，1＃，2＃試驗鋼的室溫組織為珠光體（P）和少量鐵素體（F）；1＃試驗鋼在冷速達到1℃·s－1時仍為珠光體和少量鐵素體，在2℃·s－1時為珠光體和貝氏體（B）的混合組織，在4℃·s－1時基本為馬氏體（M）和貝氏體的混合組織；2＃試驗鋼從冷速達到1℃·s－1時即為珠光體和貝氏體的混合組織，4℃·s－1時為大量馬氏體和少量貝氏體的混合組織。對比可以發現，加入質量分數為0.04%的鈮后，高碳鋼的組織明顯細化，在較低的冷速下也會出現貝氏體和馬氏體的混合組織。根據組織和轉變溫度可得試驗鋼的CCT曲線，如圖3所示。

圖2 不同試驗鋼以不同冷速冷至室溫時的顯微組織Fig.2 Microstructure of different tested steels cooled to room temperature at different cooling rates

由圖3可知，與1＃試驗鋼相比，2＃試驗鋼的CCT曲線整體向右下偏離，表現為2＃試驗鋼的奧氏體轉變開始溫度和結束溫度均低于1＃試驗鋼的，如冷速為0.3℃·s－1時，1＃試驗鋼比2＃試驗鋼的轉變開始溫度高15℃、結束溫度高14℃，但兩者的相變溫度區間大小不變?？梢娢⒘库壍募尤雽Ω咛间揅CT曲線的影響很明顯。

圖3 試驗鋼的CCT曲線Fig.3 CCT curves of tested steels

對照圖并以0.1，0.3，0.6℃·s－1低冷速下的珠光體轉變區域分析其原因。珠光體轉變是典型的形核長大型相變，其轉變過程要經過孕育期和形核長大期。鈮是強碳化物形成元素，以置換原子的形式溶于奧氏體中，會對間隙原子碳產生很強的拖曳作用，由此增加了碳原子在過冷奧氏體中的擴散激活能；擴散激活能的提高使珠光體的孕育期變長［6］，珠光體轉變開始溫度降低。故在相同的冷速下，鋼中加入鈮后奧氏體開始轉變為珠光體的溫度降低。

連續冷卻轉變開始時，珠光體晶核長大的平均速度決定連續冷卻條件下的珠光體相變起始溫度和終止溫度區間。根據 Zener－Hillert［8］理論，珠光體晶核的長大速度v可以表示為

在相同的轉變溫度下，鋼中加入強碳化物形成元素能降低碳原子的擴散系數，從而降低珠光體晶核的長大速度。相同成分時轉變溫度越低，ΔT越大，從而珠光體晶核的長大速度越大。在連續轉變過程中，珠光體晶核長大速度受化學成分和轉變速度的共同影響。

根據表2中的數據可知，1＃，2＃試驗鋼的珠光體轉變溫度區間基本一樣，從而可推斷出這兩種試驗鋼的珠光體晶核長大的平均速度一致。加入鈮元素后，減??；相同冷速時，含鈮鋼的ΔT大于不含鈮鋼的。當和（ΔT）2對v的影響相當時，v可以保持不變，即珠光體晶核長大的平均速率相同，在試驗鋼中加入鈮后即為此種情況。

在連續冷卻條件下，高碳鋼中加入的鈮通過與碳的相互作用降低了孕育期結束時的珠光體轉變開始溫度，對長大期珠光體晶核的平均長大速度基本無影響，從而使珠光體相變溫度區間不變。

2.2 鈮對珠光體片層間距的影響

由圖4可以看出，隨著冷速的增大，兩種試驗鋼的珠光體片層間距均減??；在相同冷速下，2＃試驗鋼的珠光體片層間距比1＃試驗鋼的小。

通過選取多張圖片和多個視場，用垂直線段法［9］測得了1＃，2＃試驗鋼在0.1，0.3，0.6℃·s－1冷速下的珠光體片層間距，并列于表3中。由Thermo－Calc熱力學計算軟件計算得1＃，2＃試驗鋼的理論共析點溫度分別為736.8，737.4℃，結合表2中1＃，2＃試驗鋼在相應冷速條件下的實際轉變開始溫度求得過冷度，一并列于表3中，如在冷速為0.3℃·s－1時，查得1＃試驗鋼的珠光體轉變開始溫度為671℃，故過冷度為736.8－671＝65.8℃。

對于珠光體片層間距的理論計算，比較公認的是Zener半經驗公式：

圖4 不同試驗鋼在低冷速時珠光體的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of pearlite in different tested steels at low cooling rates

表3 試驗鋼在低冷速下的過冷度和珠光體片層間距Tab.3 Undercooling and laminar spacing of pearlites of tested steels at low cooling rates

式中：S為珠光體片層間距；σ為比界面能；Vm為摩爾體積；Tc為珠光體平衡轉變溫度；ΔH 為相變潛熱；ΔT為過冷度。

假設σ，Vm，Tc和ΔH 在加鈮前后變化不大。則式（2）可以簡化為

式中：K為常數。

可知，珠光體片層間距與過冷度成反比，過冷度增大將導致珠光體片層間距細化。這是因為隨著過冷度的增大，奧氏體中的碳濃度增加，同時由于溫度降低，原子活動能力減弱，擴散距離縮短，從而使得使珠光體的片層間距得以減小。

結合表3數據，聯系前面的CCT曲線，可以得出，在相同轉變條件下，鈮的加入使珠光體片層間距細化，結合式（3）分析可知，主要是由于鈮的加入降低了試驗鋼的過冷度。

鈮是強碳化物形成元素，在高碳鋼中的溶解度很低，在連續冷卻過程中，可在高溫奧氏體溫區中以Nb（C，N）形式析出，阻礙碳的長程擴散，并降低珠光體的相變溫度，起到細化珠光體片層間距的作用；同時在奧氏體－珠光體相變過程中由于鈮的拖拽作用也抑制了碳的擴散距離，進一步減小了珠光體的片層間距，因此鈮的加入有利于珠光體片層間距的減小。

3 結 論

（1）鈮能使高碳鋼的CCT曲線向右下方移動，并能明顯減小珠光體片層間距；在較低的冷速下（0.1℃·s－1），鈮對珠光體的轉變影響不大，在高冷速下，鈮對珠光體和貝氏體相變溫度的降低作用顯著；含鈮的高碳鋼更易得到貝氏體組織。

（2）鈮的添加對高碳鋼珠光體晶核的長大速度具有雙重影響，使得加入鈮后珠光體晶核的平均長大速度不變，轉變溫度區間變化不大。

（3）鈮能降低碳的擴散速度和珠光體的相變溫度，并能增大過冷度，從而使珠光體片層間距減小。

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［7］YB 5128－1993 鋼的連續冷卻轉變曲線圖的測量方法（膨脹法）［S］.

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