1、 第58卷 第6期 2023年6月钢 铁I r onandS t e e lVo l.58,No.6,p118-125 June2023 D O I:10.13228/j.boyuan.i s sn0449-749x.20230010固 态 脱 碳 过 程 中 锰 钢 微 观 组 织 演 变 及 力 学 性 能洪 陆 阔,艾 立 群,孙 彩 娇,孟 凡 峻,王 旭 锋,佟 帅(华 北 理 工 大 学 冶 金 与 能 源 学 院,河 北 唐 山063210)摘 要:兼 具 高 强 度 和 高 塑 性 的 钢 铁 材 料 具 有 广 阔 的 应 用 前 景。为 了 提 高 钢 铁 材 料 强 塑
2、性,提 出 了 一 种 利 用 固 态脱 碳 制 备 具 有 梯 度 结 构 的 钢 铁 材 料 的 工 艺 策 略,并 以 厚 度 为1mm、碳 质 量 分 数 为2.7%的 中 锰 钢 板 为 研 究 对 象,在H2O-H2气 氛 下 开 展 固 态 脱 碳 试 验 研 究,利 用 碳 硫 仪 测 定 脱 碳 后 中 锰 钢 平 均 碳 含 量,利 用 光 学 显 微 镜 观 察 脱 碳 后中 锰 钢 显 微 组 织 和 表 面 氧 化 情 况,对 脱 碳 后 中 锰 钢 进 行 一 次 热 轧-回 火 处 理,利 用 万 能 拉 伸 试 验 机 测 量 中 锰 钢 力 学性 能。结 果
3、表 明,随 着 脱 碳 温 度 升 高,脱 碳 量 逐 渐 增 加;随 着 脱 碳 时 间 延 长,中 锰 钢 表 面 氧 化 层 厚 度 逐 渐 增 加。升高 温 度 会 增 加 固 溶 碳 迁 移 速 度,并 非 温 度 越 高 氧 化 层 厚 度 生 长 越 快,脱 碳 过 程 氧 化 层 的 调 控 应 根 据 目 标 碳 含 量 合理 调 节 脱 碳 温 度、气 氛 条 件 和 脱 碳 时 间。在1383K温 度 下50mi n可 将 中 锰 钢 碳 质 量 分 数 由2.7%脱 至0.5%以下,氧 化 层 厚 度 可 控 制 在15m以 下;采 用 固 态 脱 碳 处 理 后 的
4、中 锰 钢 形 成 了 从 表 面 到 内 部 逐 渐 变 化 的 梯 度 结 构,随脱 碳 时 间 延 长 梯 度 层 逐 渐 向 中 心 迁 移,梯 度 层 的 演 变 是 由 固 态 脱 碳 过 程 中 锰 钢 内 固 溶 碳 向 表 面 迁 移 导 致 的,利 用固 态 脱 碳 制 备 钢 铁 材 料,有 利 于 产 生 额 外 的 应 变 硬 化,获 得 高 延 展 性;固 态 脱 碳 后 的 中 锰 钢 进 行 简 单 的 热 轧-回 火处 理 后,应 变 硬 化 能 力 显 著 增 强,获 得 了 良 好 的 强 度 与 塑 性 匹 配,强 塑 积 最 高 可 达45.1GPa%
5、。固 态 脱 碳 法 不 破坏 材 料 的 整 体 性,形 成 了 具 有 较 强 应 变 硬 化 效 果 的 梯 度 结 构,而 这 种 效 果 不 存 在 于 相 同 处 理 条 件 下 的 均 质 材 料 中。关 键 词:固 态 脱 碳;梯 度 结 构;中 锰 钢;显 微 结 构;力 学 性 能文 献 标 志 码:A 文 章 编 号:0449-749X(2023)06-0118-08M i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n a n d m e c h a n i c a lpr ope r t i e s o fm a nga n e s
6、 e s t e e l d u r i ngs o l i d s t a t e d e c a r b u r i z a t i o nHONGLukuo,AIL i qun,SUNCa i j i ao,MENGFan j un,WANGXu f eng,TONGShua i(Co l l egeo fMe t a l l u r gyandEne r gy,No r t hCh i naUn i ve r s i t yo fSc i enc eandTe chno l ogy,Tangshan063210,Hebe i,Ch i na)基 金 项 目:河 北 省 自 然 科 学
7、基 金 资 助 项 目(E2021209101,E2022209112);河 北 省 研 究 生 创 新 资 助 项 目(CXZZBS2021100)作 者 简 介:洪 陆 阔(1986),男,博 士,讲 师;E-m a i l:hong l knc s;收 稿 日 期:2023-01-09通 信 作 者:孙 彩 娇(1987),女,博 士 生,讲 师;E-m a i l:sunc jnc s A b s t r a c t:Hi gh-s t r eng t handh i gh-p l a s t i c i t yme t a lma t e r i a l shaveb r oadap
8、p l i c a t i onp r o spe c t s.I no r de rt oob t a i nh i gh-s t r eng t handh i gh-p l a s t i c i t yme t a lma t e r i a l sa tt hes amet ime,ap r o c e s ss t r a t egyo fs o l i ds t a t ede c a r bu r i z a t i ont op r oduc es t e e lma t e r i a l swi t hg r ad i en ts t r uc t u r ei sp r
9、 opo s edand2.7%C-med i umf e r r omangane s ea l l oyp l a t ewi t ht h i ckne s so f1mmwa ss e l e c t eda st her e s e a r chob j e c t.So l i ds t a t ede c a r bon i z a t i onwa sc a r r i edou ti nH2O-H2a tmo s-phe r e,t heave r agec a r bonc on t en to fmed i ummangane s es t e e la f t e rd
10、e c a r bu r i z a t i onwa sde t e rmi nedbyc a r bon-su l f u rme t e r,t hemi c r o s t r uc t u r eandsu r f a c eox i da t i ono fde c a r bu r i z edmed i ummangane s es t e e lwe r eobs e r vedbyop t i c a lmi c r o s c ope.Thes imp l eho tr o l l i ng-t empe r i ngt r e a tmen to fde c a r b
11、u r i z edmed i ummangane s es t e e lwa sc a r r i edou t,t hent heme chan i c a lp r ope r t i e so fmed i ummangane s es t e e lwe r eme a su r edbyun i ve r s a lt ens i l et e s t i ngma ch i ne.Ther e su l t sshowt ha tt heamoun to fde c a r bon i z a t i oni nc r e a s e sg r adua l l ywi t h
12、t hei nc r e a s eo fde c a r bon i z a t i ont empe r a t u r eandt het h i ckne s so fox i del aye ront hesu r f a c eo fmed i ummangane s es t e e li nc r e a s e sg r adua l l ywi t ht heex t ens i ono fde c a r bon i z a t i ont ime.Thei nc r e a s eo ft empe r a t u r ewi l li nc r e a s et he
13、mi g r a t i onr a t eo fs o l i ds o l u t i onc a r bon,s ot heg r owt ho fox i del aye rt h i ckne s sdoe sno ti nc r e a s ewi t ht hei nc r e a s eo ft empe r a t u r e.The r e f o r e,t hec on t r o lo fox i da-t i onl aye ri nt hep r o c e s so fde c a r bon i z a t i onshou l dr e a s onab l
14、 yad j us tt hede c a r bon i z a t i ont empe r a t u r e,a tmo sphe r ec ond i t i onsandde c a r bon i z a t i ont imea c c o r d i ngt ot het a r ge tc a r bonc on t en t.Thec a r bonma s spe r c en to fmed i ummangane s es t e e lc anber emovedf r om2.7%t ol e s st han0.5%andt het h i ckne s so
15、 fox i del aye rc anbec on t r o l l edbe-l ow15ma t1383Kt empe r a t u r ef o r50mi n.Af t e rs o l i ds t a t ede c a r bon i z a t i on,t hes t r uc t u r eo ft hemed i ummanga-ne s es t e e lchangeg r adua l l yf r omt hesu r f a c et ot hei n t e r i o r.Theg r ad i en tl aye rg r adua l l ymi
16、g r a t e st ot hec en t e rwi t h第6期 洪 陆 阔,等:固 态 脱 碳 过 程 中 锰 钢 微 观 组 织 演 变 及 力 学 性 能t heex t ens i ono fde c a r bon i z a t i ont ime.Thee vo l u t i ono fg r ad i en tl aye ri sc aus edbyt hemi g r a t i ono fs o l i dc a r bont ot hesu r f a c eo fmangane s es t e e ldu r i ngs o l i dde c a r b
17、u r i z a t i on.Th i sme chan i smo fus i ngs o l i ds t a t ede c a r bon i z a t i ont oc r e a t eg r adua lchange si nt hei n t e r na ls t r uc t u r eo ft hes t e e lma t e r i a lf r omsu r f a c et oi n t e r i o ri sc onduc i vet oadd i t i ona ls t r a i nha r den i ngandh i ghduc t i l i
18、 t y.Thes t r a i n-ha r den i ngab i l i t yo fs o l i dde c a r bu r i z edmed i ummangane s es t e e lwa senhanc eds i gn i f i c an t l ya f t e rs imp l eho t-r o l l i ngandt empe r i ngt r e a tmen t,andt hes t r eng t handp l a s t i c i t yma t ch i ngwe r eob t a i ned,wi t ht heh i ghe s
19、tp r oduc to fs t r eng t handduc t i l i t yo f45.1GPa%.So l i ds t a t ede c a r bon i z a t i onme t h-oddoe sno tde s t r oyt hei n t eg r i t yo ft hema t e r i a landc r e a t e sag r ad i en ts t r uc t u r ewi t hs t r ongs t r a i nha r den i nge f f e c t,wh i chdoe sno tex i s ti nhomogen
20、e ousma t e r i a l sunde rt hes amet r e a tmen tc ond i t i ons.K e y w o r d s:s o l i ds t a t ede c a r bon i z a t i on;g r ad i en ts t r uc t u r e;med i ummangane s es t e e l;mi c r o s c op i cs t r uc t u r e;me-chan i c a lp r ope r t y 中 国 钢 铁 行 业 已 进 入 高 质 量 发 展 阶 段,特 别 是汽 车 工 业 快 速 发
21、 展 对 燃 油 经 济 性、碰 撞 安 全 性 要 求的 提 高 1-4,对 钢 铁 材 料 综 合 力 学 性 能 的 要 求 不 断 提高 5,然 而 如 何 不 损 失 强 度 而 提 高 塑 性 是 钢 铁 材 料顺 应 社 会 发 展 所 迫 切 需 要 解 决 的 问 题 6-8。为 了 提高 钢 铁 材 料 延 展 性,人 们 采 取 了 许 多 措 施,根 本 设 计理 念 是 在 硬 相(如 马 氏 体)基 体 中 引 入 软 相(如 铁 素体 和 残 余 奥 氏 体)9,并 使 硬 相、软 相 稳 定 结 合 10-12,但 这 很 难 依 靠 简 单 的 热 处 理 工
22、 艺 获 得。近 年 来,人们 提 出 了 很 多 新 颖 的 设 计 理 念,如 晶 界 工 程 13-14、化 学 边 界 工 程 15、位 错 工 程 16、M3理 论 17等 新 方法,都 已 应 用 于 高 强 度 高 塑 性 钢 材 的 制 造。值 得 注 意 的 是,在 高 熵 合 金 的 制 备 过 程 中,利 用多 阶 段 拉 伸 和 热 处 理 工 艺 引 入 了 梯 度 异 构 层 状 结构,成 功 实 现 了 优 异 的 强 度-塑 性 的 协 同 匹 配 18,还有 利 用 成 分 梯 度 分 层 纳 米 孪 晶 19或 通 过 引 入 孪 晶、纳 米 晶 粒 溶 质
23、 产 生 晶 粒 尺 寸 梯 度 20、分 层 结 构 21等 手 段 提 升 材 料 的 综 合 力 学 性 能,这 为 钢 铁 材 料 的高 强 高 塑 化 研 究 提 供 了 一 种 新 的 策 略。人 们 设 想 将高 强 度 金 属 相 与 高 延 展 性 的 金 属 相 结 合,引 入 软 硬相 结 合 的 梯 度 结 构 或 非 均 匀 层 状 结 构 将 在 材 料 的 强塑 化 方 面 具 有 显 著 优 势 22。有 研 究 提 出 利 用 碳 扩散 制 备 软 硬 交 替 的 多 层 结 构 钢 材 10,这 种 具 有 梯 度结 构 特 征 的 金 属 材 料 呈 现
24、出 独 特 的 应 变 硬 化,进 而提 高 材 料 的 强 度 和 延 展 性。无 论 是 纳 米 结 构 梯 度 还是 晶 粒 尺 寸 梯 度,亦 或 是 成 分 梯 度,均 表 现 出 了 良 好的 强 度-塑 性 协 同 作 用 23,甚 至 可 使 材 料 在 强 度 不降 低 的 情 况 下 延 展 性 翻 倍,这 源 于 各 种 梯 度 或 分 层结 构 中 高 强 度 与 高 延 展 性 结 构 间 的 协 同 作 用。综 上 所 述,本 文 提 出 一 种 利 用 固 态 脱 碳 制 备 具有 梯 度 结 构 钢 铁 材 料 的 工 艺 策 略,使 高 强 结 构 与 高延
25、展 性 结 构 相 互 作 用 获 得 额 外 的 应 变 硬 化 和 应 变 硬化 率 上 升 趋 势,试 验 以 碳 质 量 分 数 为2.7%的 中 锰钢 板 为 研 究 对 象,研 究 固 态 脱 碳 过 程 中 锰 钢 微 观 结构 演 变 规 律,并 初 步 探 索 这 种 梯 度 结 构 获 得 的 综 合力 学 性 能。1 试 验 材 料 与 方 法本 试 验 所 用 原 料 碳 质 量 分 数 为2.7%的 中 锰 钢板。中 锰 钢 板 采 用 高 真 空 磁 悬 浮 熔 炼 炉 制 取,合 金尺 寸 为65mm55mm1mm,化 学 成 分 见 表1。表1 中 锰 铁 碳
26、合 金 化 学 成 分(质 量 分 数)T a b l e 1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f m e d i u mf e r r o m a n g a n e s e c a r b o n a l l o y%试 样 Fe C Mn1 号 92.3 2.7 5.02 号 85.3 2.7 12.0 固 态 脱 碳 试 验 采 用 可 控 气 氛 脱 碳 炉 开 展,炉 型结 构 如 图1所 示,试 验 所 用 氢 气、氩 气 通 过 质 量 流 量计 单 独 可 控,通 过 调 节 水 浴 露 点 控 制 脱 碳 气 氛pH2O/pH
27、2(脱 碳 气 氛 中 水 蒸 气 与 氢 气 的 分 压 比图1 固 态 脱 碳 炉F i g.1 S o l i d s t a t e d e c a r b o n i z a t i o n f u r n a c e9 1 1钢 铁 第58卷值)24-27,固 态 脱 碳 试 验 的 温 度 范 围 依 据 前 期 研 究成 果 选 定 28-30,脱 碳 温 度 选 定 在 奥 氏 体 区 高 温 区(12231383K),气 体 总 流 量 为1500mL/mi n,脱碳 气 氛 的pH2O/pH2范 围 依 据 前 期 研 究 成 果 选定 24-27,脱 碳 时 间 设 置
28、 为0、2、5、10、20、30、40、50、60、70mi n。固 态 脱 碳 后 钢 板 进 行 表 面 光 滑 和 清 洁处 理,分 别 对 其 进 行 平 均 碳 含 量 检 测 和 显 微 组 织 观察,平 均 碳 含 量 采 用 碳 硫 仪 检 测,显 微 组 织 采 用 光 学显 微 镜 检 测。2 固 态 脱 碳 效 果 及 微 观 组 织 演 变 规 律为 了 研 究 不 同 固 态 脱 碳 温 度 下 中 锰 钢 脱 碳 效 果及 微 观 组 织 的 演 变 规 律,本 文 针 对 成 分 为2.7%C-5%Mn中 锰 钢 板(1号 试 样)分 别 在1223、1323和1
29、383K温 度 下 开 展 固 态 脱 碳 试 验 研 究,气 氛pH2O/pH2=0.56,并 对 脱 碳 后 中 锰 钢 平 均 碳 含 量、截面 微 观 组 织 及 表 面 氧 化 层 厚 度 进 行 分 析。2.1 1 2 2 3 K温 度 下 脱 碳 效 果 及 表 面 氧 化 层试 验 在1223K下 分 别 对 初 始 碳 质 量 分 数 为2.7%,锰 质 量 分 数 为5%的 中 锰 钢 板 固 态 脱 碳0、2、5、10、20、30、40、50、60、70mi n,脱 碳 后 中 锰 钢 平 均碳 质 量 分 数 及 截 面 氧 化 层 形 貌 如 图2所 示。图2 1 2
30、 2 3 K下 中 锰 钢 脱 碳 后 碳 质 量 分 数 与氧 化 层 形 貌 随 脱 碳 时 间 的 变 化F i g.2 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n c a r b o n m a s s p e r c e n t a n do x i d a t i o n l a y e r o f m e d i u m m a n g a n e s e s t e e ld e c a r b u r i z e d a t 1 2 2 3 K由 图2可 以 看 出,在1223K下 随 着 脱 碳 时 间延 长,中 锰 钢 中 平 均 碳 质
31、量 分 数 逐 渐 降 低,氧 化 层 厚度 逐 渐 增 加。随 着 脱 碳 时 间 延 长,脱 碳 速 率 逐 渐 降低,这 主 要 是 中 锰 钢 内 部 碳 向 表 面 扩 散 较 慢,导 致 表面 氧 化 严 重,阻 碍 了 脱 碳 反 应 进 行,脱 碳50mi n中锰 钢 碳 质 量 分 数 仅 能 降 低 至1.4%,继 续 延 长 脱 碳时 间 固 态 脱 碳 几 乎 停 滞,中 锰 钢 表 面 氧 化 层 厚 度 大幅 度 增 加。2.2 1 3 2 3 K温 度 下 脱 碳 效 果 及 表 面 氧 化 层在1323K下 分 别 对 初 始 碳 质 量 分 数 为2.7%、锰
32、 质 量 分 数 为5%的 中 锰 钢 板 固 态 脱 碳0、2、5、10、20、30、40、50、60、70mi n,脱 碳 后 中 锰 钢 平 均 碳 质 量分 数 及 中 锰 钢 截 面 氧 化 层 形 貌 如 图3所 示。图3 1 3 2 3 K下 中 锰 钢 脱 碳 后 碳 质 量 分 数 与氧 化 层 随 脱 碳 时 间 的 变 化F i g.3 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n c a r b o n m a s s p e r c e n t a n do x i d a t i o n l a y e r o f m e d i u
33、m m a n g a n e s e s t e e ld e c a r b u r i z e d a t 1 3 2 3 K由 图3可 以 看 出,在1323K脱 碳 温 度 下 随 着脱 碳 时 间 延 长,中 锰 钢 平 均 碳 质 量 分 数 逐 渐 降 低,前20mi n脱 碳 速 率 较 快,脱 碳20mi n可 将 中 锰 钢 碳 质量 分 数 由2.7%脱 至1.0%以 下,20mi n后 脱 碳 速率 突 然 降 低,2070mi n仅 能 将 中 锰 钢 碳 质 量 分 数由1.0%脱 至0.5%左 右,这 一 方 面 是 由 于 随 着 固 态脱 碳 反 应 进 行
34、,中 锰 钢 碳 含 量 降 低 使 得 钢 中 固 溶 碳扩 散 至 反 应 界 面 更 加 困 难,另 一 方 面 由 于 随 着 脱 碳时 间 延 长,表 面 氧 化 层 进 一 步 生 长,对 固 态 脱 碳 反 应起 到 一 定 的 阻 碍 作 用。脱 碳30mi n时 表 面 氧 化 层厚 度 已 生 长 至8m。2.3 1 3 8 3 K温 度 下 脱 碳 效 果 及 表 面 氧 化 层试 验 在1383K下 分 别 对 初 始 碳 质 量 分 数 为2.7%,锰 质 量 分 数 为5%的 中 锰 钢 板 进 行 固 态 脱 碳0、2、5、10、20、30、40、50、60、70
35、mi n,脱 碳 后 中 锰 钢平 均 碳 质 量 分 数 及 中 锰 钢 截 面 氧 化 层 形 貌 如 图4所 示。由 图4可 以 看 出,在1383K脱 碳 温 度 下 随 着脱 碳 时 间 延 长,中 锰 钢 平 均 碳 质 量 分 数 逐 渐 降 低,脱碳50mi n可 将 中 锰 钢 碳 质 量 分 数 由2.7%脱 至0.5%以 下,此 时 氧 化 层 厚 度 约 为15m,整 个 脱 碳过 程 并 未 出 现 明 显 的 脱 碳 停 滞 现 象,由 此 可 以 判 断0 2 1第6期 洪 陆 阔,等:固 态 脱 碳 过 程 中 锰 钢 微 观 组 织 演 变 及 力 学 性 能
36、图4 1 3 8 3 K下 中 锰 钢 脱 碳 后 碳 质 量 分 数 与氧 化 层 随 脱 碳 时 间 的 变 化F i g.4 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n c a r b o n m a s s p e r c e n t a n do x i d a t i o n l a y e r o f m e d i u m m a n g a n e s es t e e l d e c a r b u r i z e d a t 1 3 8 3 K在1383K下 氧 化 层 的 生 长 并 未 完 全 阻 碍 脱 碳 反 应的 进 行。由 于
37、固 态 脱 碳 过 程 为 吸 热 反 应,升 高 脱 碳温 度 可 有 效 提 高 脱 碳 反 应 速 率。另 外,温 度 升 高 有利 于 提 高 基 体 内 固 溶 碳 的 扩 散 能 力,但 温 度 的 升 高也 有 利 于 表 面 氧 化 层 的 生 长。因 此,固 态 脱 碳 过 程应 根 据 目 标 碳 含 量 合 理 调 控 脱 碳 温 度、气 氛 条 件 和脱 碳 时 间 以 控 制 氧 化 层 的 生 长。2.4 不 同 固 态 脱 碳 温 度 下 微 观 组 织 随 时 间 变 化利 用 金 相 显 微 镜 分 别 对1号 试 样 在1223、1323和1383K下 脱
38、碳 后 中 锰 钢 板 截 面 室 温 下 微观 组 织 随 脱 碳 时 间 变 化 规 律 进 行 了 分 析,结 果 如图5图7所 示。由 图5(a)可 以 看 出,中 锰 钢 截 面 为 均 匀 的 铁 素体 魏 氏 组 织。由 图5图7各 温 度 下 中 锰 钢 微 观 组(a)脱 碳 前;(b)脱 碳1 0m i n;(c)脱 碳2 0m i n;(d)脱 碳3 0m i n;(e)脱 碳4 0m i n;(f)脱 碳5 0m i n;(g)脱 碳6 0m i n;(h)脱 碳7 0m i n图5 1 2 2 3 K下 中 锰 钢 固 态 脱 碳 显 微 组 织 演 变F i g.5
39、 M i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n o f s o l i d s t a t e d e c a r b u r i z a t i o n o f m e d i u m m a n g a n e s e s t e e l a t 1 2 2 3 K(a)脱 碳10mi n;(b)脱 碳20mi n;(c)脱 碳30mi n;(d)脱 碳40mi n;(e)脱 碳50mi n;(f)脱 碳60mi n;(g)脱 碳70mi n图6 1 3 2 3 K下 中 锰 钢 固 态 脱 碳 显 微 组 织 演 变F i g.6 M i c
40、 r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n o f s o l i d s t a t e d e c a r b u r i z a t i o n o f m e d i u m m a n g a n e s e s t e e l a t 1 3 2 3 K织 随 脱 碳 时 间 演 变 可 以 看 出,在 固 态 脱 碳 过 程 中 锰钢 板 均 形 成 了 从 表 面 向 中 心 逐 渐 过 渡 的 梯 度 组 织,大 致 可 分 为 表 面 的 脱 碳 层、过 渡 层(半 脱 碳 层)和 中心 的 区 域 的 未 脱 碳 层。随 脱 碳 时
41、间 的 延 长,表 面 的脱 碳 层 逐 渐 向 中 心 迁 移。脱 碳 时 间 越 长 脱 碳 层 厚 度越 厚;脱 碳 温 度 越 高,脱 碳 层 向 中 心 迁 移 速 率 越 快。利 用 固 态 脱 碳 制 造 出 的 钢 铁 材 料,显 微 结 构 具 有 从表 面 到 内 部 逐 渐 变 化 的 特 征,这 有 利 于 获 得 优 越 的力 学 性 能 组 合,使 材 料 既 保 持 高 强 度,又 具 有 较 好 的延 伸 性 能,同 时 保 持 了 梯 度 材 料 的 整 体 性。1 2 1钢 铁 第58卷(a)脱 碳10mi n;(b)脱 碳30mi n;(c)脱 碳40mi
42、 n;(d)脱 碳50mi n;(e)脱 碳60mi n;(f)脱 碳70mi n图7 1 3 8 3 K下 中 锰 钢 固 态 脱 碳 显 微 组 织 演 变F i g.7 M i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n o f s o l i d s t a t e d e c a r b u r i z a t i o n o f m e d i u m m a n g a n e s e s t e e l a t 1 3 8 3 K上 述 试 验 研 究 证 明,通 过 控 制 脱 碳 温 度、脱 碳 气氛 及 时 间 可 控 制 材 料
43、表 面 氧 化 层 不 过 度 氧 化,保 障 以固 态 脱 碳 形 式 制 备 出 梯 度 结 构,例 如:在1383K、pH2O/pH2=0.56气 氛 条 件 下50mi n可 将 试 样 碳 质量 分 数 由2.7%脱 至0.46%,表 面 氧 化 层 厚 度 控 制在15m以 下。图6中 各 时 间 点 的 显 微 组 织 照 片 很 好 地 展 示 出脱 碳 过 程 脱 碳 层 和 过 渡 层 向 中 心 的 演 变 过 程,脱 碳20mi n时 过 渡 层 即 将 迁 移 至 试 样 中 心(中 心 区 域 组织 即 将 演 变 为 与 过 渡 层 相 同 结 构 形 态),脱
44、碳30mi n时 中 心 区 域 组 织 已 与 过 渡 层 基 本 相 同,之 后随 着 脱 碳 时 间 延 长 脱 碳 层 继 续 向 中 心 迁 移。选 取 较为 典 型 的 脱 碳20mi n试 样,分 别 对 其 脱 碳 层、过 渡层 和 未 脱 碳 层 进 行SEM分 析,结 果 如 图8所 示。(a)中 锰 钢 截 面 显 微 照 片;(b)图(a)中1 区 域 显 微 照 片;(c)图(a)中2 区 域 显 微 照 片;(d)图(a)中3 区 域 显 微 照 片图8 1 3 2 3 K下 中 锰 钢 固 态 脱 碳2 0 m i n后S E M照 片F i g.8 S E M
45、p h o t o o f s o l i d s t a t e d e c a r b u r i z a t i o n o f m e d i u m m a n g a n e s e s t e e l a t 1 3 2 3 K f o r 2 0 m i n2 2 1第6期 洪 陆 阔,等:固 态 脱 碳 过 程 中 锰 钢 微 观 组 织 演 变 及 力 学 性 能 图8(a)为 固 态 脱 碳 后 中 锰 钢 板 截 面 组 织 照 片,从 表 面 向 中 心 可 分 为 脱 碳 层、过 渡 层 和 未 脱 碳 层,分别 在3层 取1、2、3区 域 利 用 扫 描 电 子
46、显 微 镜 观 察,可 以 看 出 脱 碳 后 中 锰 钢 显 微 组 织 结 构 主 要 为 板 条型,主 要 有 铁 素 体()和 奥 氏 体()双 相。板 条 奥 氏体 的 宽 度 为100150nm,明 显 小 于 板 条 铁 素 体 的宽 度(150200nm),脱 碳 层 铁 素 体 相 较 多,含 有 少量 奥 氏 体 相,越 靠 近 试 样 中 心 区 域 碳 含 量 越 高,过 渡层 奥 氏 体 相 相 比 脱 碳 层 显 著 增 加,且 奥 氏 体 尺 寸 增加,呈 现 超 细 板 条 形 态,铁 素 体 中 还 分 布 着 一 些 小 颗粒 的 碳 化 物 组 织,中 心
47、 未 脱 碳 层 含 有 大 颗 粒 碳 化 物和 铁 素 体。3 力 学 性 能从 固 态 脱 碳 过 程 微 观 组 织 的 演 变 可 知,经 固 态脱 碳 处 理 后 中 锰 钢 获 得 了 从 表 面 到 心 部 逐 渐 变 化 的梯 度 结 构,为 验 证 这 种 利 用 固 态 脱 碳 法 制 备 的 中 锰钢 板 是 否 会 获 得 良 好 的 综 合 力 学 性 能 组 合,试 验 对2.7%C-12%Mn-Fe中 锰 钢 板(2号 试 样)在1363K、pH2O/pH2=0.56气 氛 条 件 下 脱 碳50mi n制 备 具 有梯 度 结 构 的 中 锰 钢 板(脱 碳
48、后 中 锰 钢 平 均 碳 质 量 分数 为0.24%),对 脱 碳 后 中 锰 钢 板 在1273K下 进 行一 道 次 热 轧 处 理(热 轧 压 下 率 分 别 为30%、40%和50%),最 后 回 火 处 理1h(回 火 温 度 选 择523K和623K),对 回 火 后 试 样 进 行 拉 伸 试 验。为 明 确 观 察梯 度 结 构 产 生 的 额 外 应 变 硬 化 效 果,试 验 以 未 经 过固 态 脱 碳 处 理 的0.24%C-12%Mn-Fe中 锰 钢 板 作为 对 比 试 样(对 比 试 样 的 热 轧-回 火 处 理 与 试 验 试 样相 同,热 轧 压 下 率
49、为40%,回 火 温 度 为523K)。固态 脱 碳 后 不 同 压 下 率 中 锰 钢 板 经 不 同 回 火 温 度 处 理后 拉 伸 测 试 结 果 如 图9所 示,其 力 学 性 能 见 表2。通 过 观 察 不 同 处 理 工 艺 下 中 锰 钢 力 学 性 能 可 以看 出,经 固 态 脱 碳 处 理 后 中 锰 钢 板 获 得 了 良 好 的 强度 和 塑 性 匹 配,与 未 经 固 态 脱 碳 处 理 的 中 锰 钢 力 学性 能 相 比,强 度 和 塑 性 均 在 一 定 程 度 上 获 得 了 提 升,其 中 塑 性 增 幅 较 为 明 显,在523K回 火 后40%压 下
50、率 的 中 锰 钢 最 高 获 得 了29.8%的 断 裂 伸 长 率 和1514MPa的 抗 拉 强 度,而 未 经 过 固 态 脱 碳 处 理 的中 锰 钢 抗 拉 强 度 为1276MPa,断 裂 伸 长 率 仅 为2.4%。依 据 现 有 试 验 探 索 结 果,623K回 火 温 度下,经 固 态 脱 碳 处 理 后50%压 下 率 的 中 锰 钢 获 得 强度 与 塑 性 匹 配 较 好;523K回 火 温 度 下,经 固 态 脱 碳处 理 后40%压 下 率 的 中 锰 钢 获 得 强 度 与 塑 性 匹 配最 为 优 异。这 说 明 固 态 脱 碳 处 理 后 的 热 轧-回
