关键字： 冷却速度；粒状贝氏体；力学性能 摘　要： 通过对合金元素与钢的组织转变动力学关系的分析和计算，设计了空冷贝氏体型非调质钢22Mn2SiVBS。热穿制成管坯后观察其显微组织，发现在原奥氏体晶界处有一定量断续网状铁素体析出，由于受到冷却速度的影响和钢中微量合金元素的分布不均匀，影响了其组织转变的动力学条件，导致过冷奥氏体稳定性下降，过量铁素体的析出，降低了钢的力学性能。通过对样品的重新加热控制冷却试验分析表明，缓慢冷却得到贝氏体、珠光体和铁素体组织，力学性能较差，不能满足使用要求；空冷得到均匀的粒状贝氏体，抗拉强度900MPa，硬度301HB，满足使用要求。

贝氏体型非调质钢具有良好的强度和韧性，与调质钢相比，能够简化生产工艺、节约能源、降低生产成本。贝氏体钢可以用作汽车零件、高硬度耐磨用钢、塑料等行业用的模具和模块等，近年来贝氏体钢的应用及相变机制受到人们的关注[1-5]。M n、B 系贝氏体钢作为模具用钢有明显的优势，廉价元素M n 和微量B, 并辅以少量其它元素合金化, 可以空冷自硬, 其主要性能(光洁度、硬度、切削加工性)等方面完全能与国外同类合金相比, 而价格却大大低于国外同类合金,即性能与价格比有显著优势, 可为生产带来巨额经济效益。本文所研究的钢牌号为自行设计的22Mn2SiVBS，是一种M n、B 系贝氏体非调质钢，其组织特点为锻后空冷即可得到以贝氏体为主，配以少量残余奥氏体和铁素体；钢中贝氏体碳化物含量少，或称无碳化物贝氏体，使钢具有良好的强度和韧性。通过试验了解该钢加热到奥氏体化后冷却速度的变化，对钢的组织转变和力学性能的影响，为材质的有效利用提供依据。

1   合金元素组合

考虑调质件多数是锻件，以Vc-max和Vc-min分别为制件锻后空冷时最大和最小冷却速度；VF、VP和VB分别为抑制先共析铁素体转变、抑制珠光体转变和抑制贝氏体形成的最小冷却速度，B、M和AR分别为贝氏体、

马氏体和残留奥氏体。设计钢种的合金元素应使Vc-min≥VF > VP, Vc-max < VB，并使力学性能和工艺性能符合技术要求。考虑到合金元素的价格与有效价格比[6]，可知B、Mo、Mn是首选元素，Cr也是比较合适的元素，

考虑到资源储量，其先后排序为B、Mn、Cr、Mo。为了使制件（1250℃热穿管）成形后，保持较小的奥氏体晶粒，需要添加微量抑制晶粒粗化的元素V、Nb或Ti。同时保证制件在高强度下具有良好的切削加工性，钢中需要一定的S含量，最终确定钢的成份为22Mn2SiVBS。

2  钢的临界冷却速度

在钢的成分设计中，为得到满足性能要求的贝氏体组织，要求有Vc-min≥VF > VP, Vc-max

（1）低碳低合金钢抑制先共析铁素体析出的临界冷却速度（VF）用（1）式计算：

logVF(℃/h)=10.17-[3.8(C)+1.05(Mn)+0.2(Si)+0.57(Cr)+0.70(Ni)+1.58(Mo)+0.7(B*)+0.0023Pa]（1）

（2）低碳低合金钢的抑制贝氏体析出的临界冷却速度（VB）用（2）式计算：

logVB(℃/h)=10.55-[3.8 (C)+0.85(Mn)+0.2 (Si)+0.65(Cr)+0.65(Ni)+1.02(Mo)+0.20(B*)+0.0023Pa]（2）

在（1）式和（2）式中，Pa为奥氏体状态系数，Pa=〔1/T-（nR/ΔH）×log（t/t0）〕-1，T为奥氏体化温度（K），t为保温时间（h），t0为时间单位（h），n为loge10，ΔH为晶体长大激活能，在低碳合金钢中ΔH=460.55KJ/mol，R是气体常数R=8.31441J/K·mol。将实际检测数据代入上式有：logVF(℃/h)=3.39，VF=0.68℃/s；LogVB(℃/h)=4.66，VB=12.77℃/s。试验过程中样品轧制后的实际冷却速度V实际满足：VF＜V实际＜VB，而且金相组织照片也证明了采用的计算方法是正确的。

3  试验材料、方法及仪器

根据钢的化学成分与其过冷奥氏体转变动力学特点和力学性能的关系[7]，设计试验用钢的成分为22Mn2SiVBS，经电炉冶炼、精炼、连铸连轧后制成φ200mm圆坯，利用日本岛津直读光谱仪（PDA-7000）

检测其化学成分如表1。将钢坯加热至1270℃保温，待充分奥氏体化后，穿制无缝管坯（管径φ90mm、壁厚14mm、管长6000mm）。在管坯上截取长160mm一段，沿长度方向切为两半，其中一半装入耐高温容器中

（容器内用三氧化二铝粉末和适量的碳充满，试样埋入其内防止脱碳），容器置于高温箱式电炉中加热至1280℃，保温2小时，从电炉中取出容器，冷却至室温后取出试样，此样品称为缓冷。将另一半切割样品做同样热处理，但容器从电炉中取出后，立即将试样从容器中取出，直接暴露在空气中冷至室温，此样品称之为空冷。在尼康光学显微镜（Nikon EPIPHOT 300）下，观察管坯、重新加热后缓冷和空冷试样的显微组织；将管坯和空冷试样分别加工成板状拉伸试样各三件（标距沿管长度方向），试样尺寸规格为标距60mm，宽度19mm，厚度7.5mm，采用电子万能拉力实验机（新三思CMT5205）测试样力学性能。

4  试验结果与分析

对穿制的无缝管坯做力学性能检测，结果如表2所示，布氏硬度值平均为243HB。材质主要力学性能指标（强度和硬度）略低于设计标准（σb≥900Mpa，HB≥255）。观察管坯的显微组织如图1，从中看到钢的组织主要以贝氏体为主，有一定量铁素体析出，而且在原奥氏体晶界处呈断续网状分布。从而可以判定：组织不均匀，特别是晶界处网状铁素体组织的析出，降低了晶间强度，导致材质的力学性能下降。分析原因：（1）尽管在钢的成分设计过程中，为保证其具有足够的淬透性，加入了足量的合金元素，但由于炼钢工艺或经验等方面的原因，某些合金元素（特别是作用大的微量元素如B）在钢液中或凝固时产生的转变和偏析，也会对过冷奥氏体转变的动力学特点产生影响；（2）管坯热穿制后的冷却过程中，由于过度的集中堆放，热量散失较慢，降低了空冷速度，也是网状铁素体组织析出的主要原因。

根据理论计算和已有的研究成果[7~8]分析，针对原因（1）（2），做了上述热处理均匀化和控制冷却试验。图2为均匀化处理后缓冷试样的显微组织照片，可以看到尽管试样经过了充分奥氏体均匀化处理，可以消除因偏析带来的影响，但由于冷却速度过慢，不仅有铁素体，还发生了珠光体组织转变。这一过程表现为，试样缓冷首先导致铁素体沿奥氏体晶界呈网状析出，破坏了奥氏体内碳浓度的平衡，铁素体附近奥氏体中碳浓度增高，来不及扩散均匀化，满足了渗碳体析出的条件，渗碳体的形成又降低了奥氏体中碳的浓度，铁素体以细片状析出，这一现象往复进行即是珠光体组织转变的过程。随冷却温度的继续降低，未转变奥氏体进入贝氏体区域时，又发生了贝氏体的转变。最终形成网状铁素体+珠光体+贝氏体即图2的形态。显然这种组织形态与设计要求相差甚远，也不能满足使用要求。图3为奥氏体均匀化处理后将试样取出，直接暴露在空气中冷却所得到的显微组织照片，基本上由分布均匀的粒状贝氏体组成。力学性能检测结果如表3，布氏硬度测定平均值为301HB，组织和性能均满足设计要求。

从表2和表3的拉伸试验结果对比中可看出，空冷试样的塑性和屈服强度有所下降，抗拉强度得到提高。一般认为，铁素体为韧性相，在应力作用下，通过塑性变形，消耗部分裂纹扩展所需要能量，阻碍了裂纹扩展。但是，在奥氏体晶界处有大量铁素体的析出，会导致贝氏体量减少，残留奥氏体量也将减少，使组织均匀性下降，组织中缺少强化相和吸收裂纹扩展能量相，降低强度的同时也降低了韧性。钢材屈强比（σs/σb）的适当降低能够提高零部件使用的可靠性。因此22Mn2SiVBS钢热锻（轧）后的空冷速度应控制得当，保证铁素体的析出量和析出形态不降低钢的力学性能。

5  结 论

（1）通过对合金元素与钢的组织转变动力学关系的分析和计算，设计了空冷贝氏体非调质钢22Mn2SiVBS ，经热锻（轧）后在空气中冷却，即可得到以均匀粒状贝氏体为主的显微组织；钢的抗拉强度达到900Mpa，延伸率10.9%，硬度HB301，达到设计要求。

（2）通过在1280℃温度下，保温2小时的高温扩散处理后空冷，能够消除因缓冷，过量铁素体相沿原奥氏体晶界析出，而导致的钢力学性能的下降，获得均匀的贝氏体组织。

参考文献

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