ULCB钢相变产物粒状贝氏体和板条贝氏体的组织与性能研究 (北京科技大学材料科学与工程学院，北京) 摘要 对ULCB钢的主要相变组织粒状贝氏体和板条贝氏体的力学性能进行了比较。结果表明，粒状贝氏体和板条贝氏体是完全不同的组织，粒状贝氏体组织是高温下的相变产物，组织粗大，对强度和韧性有不利影响，而板条贝氏体组织是低温下的相变产物，对强度和韧性有利。板条贝氏体;粒状贝氏体;超低碳贝氏体;组织与性能 中图分类号 (2006)。传统上人们根据贝氏体的形态将其分为上、下ULCB钢。 该钢的碳含量有所降低，其组织属于无碳贝氏体。
贝氏体板条间无渗碳体型碳化物，板条内亦无此类碳化物析出。板条内有大量位错，板条边界由位错墙构成。板条间存在一些小尺寸的残余奥氏体。20世纪90年代以来，日本、欧美等国家对该类钢的冷却转变组织进行了大量研究，但对该类组织的生成机理，如形态、分类、各类组织定义等尚无统一意见。对连续冷却转变产物的研究还主要集中在形态描述上。由于冷却速度不同，ULCB钢组织可能出现多种不同形态，其形态、亚结构、位错密度等都不相同。实际生产中，很难区分较高温度下相变生成的粒状贝氏体与较低温度下相变生成的板条贝氏体。 本实验以ULCB钢为主组织，采用新研制的海洋耐大气腐蚀钢为原料，在不同淬火温度下发生相变，对比研究相变组织性能，为超低碳贝氏体生产工艺参数优化提供依据。实验方法是采用控轧控冷工艺，用线切割方法制成厚度为的ULCB实验钢板，保温15min，然后分别在580℃淬火，淬火10min，然后空冷至室温。两组再进一步线切割成非标准拉伸和冲击试样。为保证试样尺寸精度和试验的准确性，将拉伸和冲击试样放在磨床上进行精加工，实验流程如图所示。其化学成分如下。采用两台淬火维氏硬度计测量不同淬火温度下的组织硬度。 维氏硬度计是将精密机械与光电计算机软件相结合，用于研究钢相变产物粒状和板条状贝氏体组织性质的一种新型硬度计，可跟踪金属组织，测试感应淬火或渗碳等材料的内部硬度，具有操作简便、测试精度高的特点。表1为实验钢的化学成分。一个奥氏体晶粒可形成许多板条束，板条边界为小角度，板条束界面为大角度晶界。鉴于其板条的特征，在日本钢铁协会术语中的符号为；另外，板条间呈条带状分布，与低碳钢中的无碳贝氏体相似，但由于形成温度稍高，板条特征不如无碳贝氏体发达。部分板条边界在形成后会恢复，因此经常可以观察到板条边界的不连续性。
由于光学显微镜下难以显示小角度晶界，板条铁素体束常常成为无特征的晶粒。经过适当的深腐蚀后，在光学显微镜下尚可观察到隐约可见的板条轮廓，在扫描电镜下其特征更为清晰。图2a是在较高温度下形成的粒状贝氏体组织，铁素体亚结构并不是板条状，而图2a，或图是在较高温度下形成的，其最突出的特征是边界极其不规则。热处理制度示意图图3是典型的贝氏体组织，由位错密度较高的板条贝氏体晶体组成，数条贝氏体板条平行排列形成板条。伸长率指标比较接近，差别不大，板条贝氏体的强度略高，伸长率略低；但两种组织的室温冲击功差别很大。 板条贝氏体为粒状贝氏体，几乎无塑性，而板条贝氏体则表现出良好的抗破坏能力。两种组织的冲击断口形貌更能说明问题（如图所示），韧性断裂区约占40%，解理断裂区约占60%。韧性断裂区由一些大小不等的圆形或椭圆形凹坑组成，在韧窝中可以看到夹杂物或第二相粒子（如图3a所示）；解理断裂区解理裂纹沿不同取向的解理面延伸，相交形成不同特征的材料工程花样，最突出、最常见的特征是河流花样和扇形花样（如图3c所示）。是粒状贝氏体冲击断口形貌，整个断口为解理断裂区，没有韧窝断口。 不同温度淬火的粒状贝氏体与板条贝氏体的性能对比。进一步的硬度分析采用维氏硬度计测量在不同淬火温度下产生的两种形貌差异较大的贝氏体组织的显微硬度，选取10个载荷点的平均值，如表所示。从以上组织的显微硬度测量结果可以看出，板条贝氏体的硬度略大于粒状贝氏体的硬度，两种组织的硬度差在%左右，基本可以认定为两种不同的组织形态。 相比较而言，粒状贝氏体组织比较粗大，对强度和韧性有不利影响，而板条贝氏体组织对强度和韧性有一定的影响，同时还有亚晶界强化和位错亚结构强化的作用。其增韧的原因除了晶粒的细化外，还有大块珠光体的消除，使组织中硬度的尺寸变小，分布也比较均匀。但如果岛状物过多，尺寸大，特别是尖锐、有尖角时，也会对韧性表现出有害影响。