1、文档下载 免费文档下载http:/ 1,刘清友 2,侯豁然 2,陈红桔 2,董 瀚 2(11 首钢集团总公司,北京 100041;21 钢铁研究总院,北京 100081)摘要:采用不同热处理制度和冷轧大变形以及快速热处理的方法获得了晶粒尺寸范围在(926)m 的铁素体组织。采用不同工艺热轧获得了晶粒尺寸在(101)m 的铁素体组织。采用室温拉伸试验测定了这两种材料的强度,研究了它们在超细晶条件下的细晶强化规律。结果表明,在超细晶条件下,霍尔 2 佩奇(H2P)关系的斜率系数 ky 将下降而截距 同时对此进行了初步的分析。0 上升。关键词:高强度低合金钢;超细晶铁素体;霍尔 2 佩奇关系中图分类
2、号:TG11311,TG113125 文献标识码:A 文章编号:025426051(2003)0720005206TheStrengthofUltra2fineGrainedFerriteSteelFANJian2wen1,LIUQing2you2,HOUHuo2ran2,CHENHong2ju2,DONGHan2(11ShougangGroupCorporation,Beijing100041,China;21CentralIronultra2finegrainferrite;Hall2Petchrelationship究表明,材料细晶强化研究进入微米、亚微米甚至纳 1 引言金属材料常温条件
3、下细晶强化已成为公认的事实。从 20 世纪 50 年代以来,前人已进行了大量研究,目前的研究已深入到纳米级超细晶材料的性能。 “新一代钢铁材料的重大基础研究”项目中提出未来钢铁材料的特点应是高洁净度、高均匀度、超细晶化,组织超细化是新材料强化的主要手段。种种研),男,山西太原人,高级工程师,作者简介:范建文(1970110工学博士,主要从事组织超细晶化低碳低合金钢、微合金化控轧控冷技术的开发及冷挤压及轧制过程数值模拟工作,发表论文 10 篇。联系电话:010288293392E2mail:基金项目:国家科技部 973 项目(G1998061506)米领域时,出现了新情况。在微观组织方面,位错运
4、动平均自由程减小,晶界、相界对材料性能的影响比粗晶条件下更为显著,当夹杂物尺寸与晶粒不相上下时,将使超细晶的强化作用下降。超细晶条件下,间隙原子的固溶强化和第二相的沉淀强化也可能发生一些变化。超细晶条件下材料的细晶强化行为目前仍需要大量的研究。因此超细晶钢铁材料的强度及其它特性是一个重要的研究课题。文档下载 免费文档下载http:/ 试验材料和过程211 试验材料收稿日期:2002212218S352S38.2 MaHY,WangMC,ZhangS,etal.Surfacehardeningoftitaniumalloysbyoxygen2diffusion2permeationJ.TRANS
5、ACTIONSOFNONFERhttp:/ BoettcherC.DeepcasehardeningoftitaniumalloyswithoxygenJ.SurfaceEngineering,2000,16(2):1482152.4 DongH,LiXY.Oxygenboostdiffusionforthedeep2caseharden2ingoftitaniumalloysJ.MaterialsScienceandEngineeringA,试验材料为工业纯铁和热轧高强度低合金钢板X52。工业纯铁的化学成分(质量分数,%)为 01026C,2000,280(2):3032310.5 Dong
6、H,BellT.Enhancedwearresistanceoftitaniumsurfacesbya文档下载 免费文档下载http:/ 曲恒磊,周 廉,魏海荣.氧化气氛中的氮对 Ti3Al 高温氧化行为的影响J.金属学报,1999,35(S1):3312334.7 郑传林,徐 重,谢锡善,等.钛等离子渗氧研究J.金属热处理,2002.27(3):35237.8 机械工程手册/电子工程手册编辑委员会.机械工程手册(第 3册)M.北京:机械工业出版社,1982:1127.金属热处理2003 年第 28 卷第 7 期 501066Si,01084Mn,010082P,010015S 和 01056
7、Al;高强度低合金 X52 钢的化学成分(质量分数,%)为 0109C,0118Si,1137Mn,01011P,010075S,01051Nb21211 纯铁样品的制备试验用纯铁在 850加热锻造成 40mm60mm 的长方料和直径和 0101http:/ 全自动相变仪上测定材料相变点,测试条件为:在 1000保温 5min,升降温速度为 200/h。测定结果工业纯铁:Ac1=715,Ac3=905,Ar1=680,Ar3=875;高强度低合金钢 X52:Ac1=725,Ac3=910,Ar1=690,Ar3=805。212 试验材料的制备表 1 纯铁样品制备的工艺制度Table1 Proc
8、essforarmcoironspecimenswithdifferentgrainsize试样编号文档下载 免费文档下载http:/ 6501min 盐浴油冷2min 盐浴油冷4min 盐浴油冷 6508min 盐浴油冷冷轧 6801min 盐浴油冷冷轧 6802min 盐浴油冷冷轧 6804min 盐浴油冷冷轧 5602min 盐浴油冷冷轧 5604min 盐浴油冷冷轧 5608min 盐浴油冷锻后 105030min空冷锻后 120030min 水冷锻后 95030min 空冷锻后 95030min 水冷锻后 100030min 空冷锻后 1000 水冷锻后 120030min 炉冷冷轧
9、 6001min 盐浴油冷冷轧 6002min 盐浴油冷冷轧 6004min 盐浴油冷冷轧 6008min 盐浴油冷21212 高强度低合金钢样品的制备制备金相样品,观察其微观组织。采用截线法测定了每种试样的晶粒尺寸。用 Akashi2MVK2E型显微硬度仪测定显微硬度。在中国科学院金属研究所采用 MTS2810 热疲劳试验机对试样进行拉伸试验。试样分为两种,一种是工作直径为种为 8mm(3http:/ 的板试样。两种试样的工作带平行长度均为 30mm,全长 100mm。引伸计标距 25mm,最大应变量 50%。试验的拉伸速率为(12)mm/min。引伸计应变和试样变形力、位移由微机系文档下载
10、 免费文档下载http:/ X52 钢加热至 1200保温 30min 以上奥氏体化,出炉空冷至规定温度在实验室轧机上轧至不同厚度,然后分别采用不同的速度冷却冷却,具体工艺如表 2 所示。表 2 高强度低合金钢热轧钢带(X52)的试验工艺制度Table2 ProcessforHSLAsteelstrip(X52)withultra2finegrains试样号LA20LA21LA22LA23LA24LA25轧钢制度供货热轧态16 8mm16 8 4mm16 8 4mm16 8 4 2mm16 8 4 2mm冷速模拟卷取温度/统采集数据。空冷空冷20/s40/s50/s5006003 试验结果文档
11、下载 免费文档下载http:/ 微观组织不同晶粒尺寸的纯铁试样微观组织如图 1 所示,对于纯铁,一般的热处理可获得晶粒尺寸在(10010)m 的铁素体(图 1a 和图 1b),而采用室温大压下轧制后盐浴油冷再结晶处理获得的晶粒尺寸在(106)m 的铁素体(图1c、d、e、f)。对于高强度低合金钢,一般的热轧可获得晶粒尺寸在(104)m 的铁素体(图 2a、b、c),而采用形变诱导铁素体相变注:16 类似。下,16mm 厚板轧至 8mm 厚,余下 8mm 表示在 870213 微观组织观察和力学性能测试用 4%HNO3 酒精腐蚀经上述工艺处理的试样 6金属热处理2003 年第 28 卷第 7 期
12、图 1 Fig.1 of(a)201)06 (c)208d)http:/ (f)Fe218图 2 经不同工艺处理后高强度低合金钢的微观组织 Fig.2 MicrostructureoftheHSLAsteelstriptreatedbydifferentprocess文档下载 免费文档下载http:/ (b)LA22 (c)LA23 (d)LA24m 的热轧超细晶组织(图 2d),工艺轧制获得了 115如图 2 所示,各个晶粒尺寸的样品均含有少量的珠光体组织。312 力学性能对于高强度低合金钢,晶粒范围在(110)m 内,H-P 关系式为:-s=376.36 6.9812d2(2)纯铁、高强度
13、低合金钢不同晶粒尺寸的试样拉伸试验条件下的应力 2 应变曲线如图 3 所示。由图 3 可见,随着晶粒细化,材料的强度上升,而伸长率下降。试验获得的屈服强度、抗拉强度和晶粒尺寸的关系如图 4 所示,由图 4 可见,屈服强度 s 与晶粒尺寸 d 在超细晶条件下符合 H2P 关系。对于纯铁,晶粒范围在(61292)m 内,H2P 关系式为:-s=92.358 23.048d2由两种材料拟合的 H2P 关系可见:由粗晶到细晶范围内的截距 0 值比由细晶到超细晶范围的 0 值低,ky 值则比后者的大。由此说明随晶粒达到超细,材料 H2P 关系中截距 0 上升,而斜率 ky 下降。对低碳钢大量的试验研究表
14、明,在应变速率为(6文档下载 免费文档下载http:/ 至粗晶,室温 10-41)s-1 内,晶粒直径范围由 3下 H2P 关系的 ky 值在(14102314)N/mm3/2 的范围内。在高强度低合金钢中一般采用ky=1714N/mm3/21。显然纯铁在粗晶至细晶间,ky 值与上述相(1)符合,然而高强度低合金钢在细晶至超细晶阶段,ky7金属热处理2003 年第 28 卷第 7 期值不在此范围内,而是比其小得多。图 5 抗拉强度与晶粒尺寸的关系:/ (b)高强度低合金钢Fig.5 Effectofferritegrainsizeontensilestrength(a)armcoiron (b
15、)HSLAsteel可见,随晶粒细化,材料的显微硬度上升。将数据拟合为 H2P 关系,对于纯铁:1=901338 514348d2;图 3 晶粒尺寸 d 对试样的应力 2 应变曲线的影响(a)纯铁 (b)高强度低合金钢Fig.3 Strain2stressrelationshipwithsize(a)armco文档下载 免费文档下载http:/ 519906d2。,而两者的斜率比较接近。图 6 显微硬度与晶粒尺寸的关系图 4 屈服强度与晶粒尺寸的关系(a)纯铁 (b)高强度低合金钢(a)纯铁 (b)高强度低合金钢Fig.6 Effectofferritegrainsizeonmicrohard
16、ness(a)armcoiron (b)HSLAsteelFig.4 Effectofferritegrainsizeonyieldstrength(a)armcoiron (b)HSLAsteel图 5 所示为晶粒细化与抗拉强度 b 的关系,由图可见, 对于纯铁:b 也符合 H2P 关系。b=280.02 13.045d高强度低合金钢:文档下载 免费文档下载http:/ 7.8312d-2-2图 7 所示为晶粒尺寸与伸长率的关系。由图 7 可见,随晶粒细化,材料的伸长率下降。(3)4 讨论411 细晶强化的 H2P 关系(4)文献2曾提到过随着晶粒细化,将会导致 H2P 关系中的系数 ky
17、将下降。本研究再http:/ 次证明了这一点。而在 20 世纪80 年代以前的研究中很少提到过。表 3 列出了从 50 年代至今,对钢研究中报道的 H2P 参数,由表 3 可见,ky 的值大致在(1423)N/mm3/23。在文献1中目前对于高强度低合金钢广为采用的是 ky=1714N/mm3/2,若由此 ky 值估算晶粒细化至(21)m 时,细晶强化的贡献量在(389550)MPa。由拟合关系式及相应的 H2P 关系图可见,由粗晶到细晶范围内的 0 值比由细晶到超细晶范围内的 0 值低,kb 值则比后者的大,由此说明,晶粒细化到超细晶,对于 b 的 H2P 关系中,截距 0 上升,而斜率kb
18、下降。文档下载 免费文档下载http:/ 6 所示为晶粒尺寸与显微硬度的关系。由图 8金属热处理2003 年第 28 卷第 7 期1)m 铁素体晶粒屈服强度为(821607)MPa,而该式是由从粗晶到细晶范围的试验数据获得的;由式(2)计算获得:(21)m 铁素体屈服强度为(597533)MPa。由此可见,超细晶状态下细晶强化的作用越来越小。作者与日本学者Nagai 曾探讨过此问题,他的研究小组在试验室化学成分为 0115C2Mn 钢,试样尺寸为800mm60mm10mm,获得了晶粒尺寸(1115)m 的超细晶粒钢样品,测得的 s 为640MPa, 由此可见,单纯由细晶强化 b 为 800MP
19、a。m 左右获得 800MPa 的强度是不可铁素体晶粒在 1能的。目前试验中所用的材料含微量的 Nb,Ti 元素,Ti 的作用是以 TiN 的形式存在,轧前高温加热(11501250)时阻止奥氏体晶粒的过分长大,Nb,扩大,有利于未再结晶区,提,然而由于形成的 Nb(CN)尺寸在,因而它的强化作用不太明显。因此,对于高强度低合金钢,若要获得 s 在 800MPa 左右的强度水平,除细晶强化外必须考虑其它强化方式,如沉淀强化与固溶强化。图 7 伸长率与晶粒尺寸的关系(a)纯铁 (b)高强度低合金钢Fig.7 Effectofferritegrainsizeonhttp:/ (b)HSLAstee
20、l文档下载 免费文档下载http:/ 在 400MPa,若 ky21)m 时,则 s,事实上由于 ky,材料在铁素体晶粒达到(21)m 时不可能获得 800MPa 的强度。在本研究的试验中,由式(1)计算获得:(2表 3 高强度低合金钢屈服强度 H2P 关系的研究3Table3 ThestudyonH2PrelationshipaboutyieldstrengthofHSLAsteelstrip3年代195519551956195819581960196019621962196319631966196619681972完成人Cracknell60040min 或 180min文档下载 免费文档
21、下载http:/ 林栋梁40.02C20.04Nb22721.56空冷)1994SetsuoTakaki512.5Cr29.5Ni22Mo20.1N200.315017金属热处理2003 年第 28 卷第 7 期 9412 H2P 公式斜率在超细晶条件下减少的原因分析根据文献6所述,试验中发现超细晶纯铁(99197?)存在两种不同状态的铁原子,由试验证明在晶界附近原子状态比较特别,被确认为有晶界相,晶界附近存在弹性变形层,与晶粒内组织相比,晶界相的动态活度较高。在超细晶状态下,晶粒细小,导致晶界面积的大幅度上升,同时也增加了晶界附近组织在整个组织中的分数。依据非平衡晶界理论7,非平衡态非固ht
22、tp:/ 有晶界位错(EGBD)的增加,使其晶界可动位错密度加大。可动位错密度的上升有利于位错滑移即材料塑性变形,在一定程度上将有利于材料的屈服,由此将使超细晶状态下 H2P 关系的斜率下降。文档下载 免费文档下载http:/ q,设由已屈离为 l,再由 A.H.8,q=(L/l)1/2?(-i)L,i在 ld 时,可以认为 =d-i ql?2,当晶粒细化时,晶粒直径将对 ky 产生越来越大的影响,明显地在超细晶状态下,d 可能与 l 的差距明显缩小,从而使 ky 值下降。5 结论(1)纯铁细晶强化,在(1005)m 晶粒尺寸范围内,H2P 关系式的斜率 ky=23105N/mm3/2;(2)
23、高强度低合金钢在(101)m 范围内,试验获得 ky=6198N/mm3/2;(3)超细晶条件下,ky 将下降,而截距 0 上升;(4)对于铁素体组织,晶粒细化至 1m,需要再考虑沉淀强化或其它强化方法,屈服强度才可能达到 800MPa。参考文献:1M.北京:机械工业出版为滑移面上阻止位错运动的摩擦阻力。设晶粒直径文档下载 免费文档下载http:/ d。原塞积理论中假设 L=2d,在之后的研究中认为,晶界位错源是主要的,因而现更改为L=d,则有:l-= = diqi?1 (d/l)21 (l/d)2= 即 i k=2l1 =ll/d-?d2l1 l/d d2Z.MicrohardnessMea
24、surementsandtheRelationshipinanAl2MgAlloywithSubmicrometerGrainSizeJ.ActaMater.,1996http:/ AndersonE.TheRelationshipBetweenLowerYieldStressandGrainSizeinArmcoIronJ.TransactionoftheMetallurgicalSoci2etyofASME,1968,242:115文档下载 免费文档下载http:/ 林栋梁.Fe20104Nb20102C 合金的强化J.金属学报,1978,14(4):3242335.5 高木节雄(Sets
25、uoTakaki).ReversionofDeformationInducedMa2terialstoAusteniteandMechanismofUltraGrainRefiningJ.铁钢,1994,80(10):N5292535.6 ValievRZ差热法;动力学文档下载 免费文档下载http:/ 文献标识码:A 文章编号:025426051(2003)0720010204DifferentialScanningCalorimetricAnalysisofMicrostructureTransformationKineticsintheAl2Zn2Mg2Cu2LiAlloy10金属热处理2003 年第 28 卷第 7 期文档下载网是专业的免费文档搜索与下载网站，提供行业资料，考试资料，教学课件，学术论文，技术资料，研究报告，工作范文，资格考试，word 文档，专业文献，应用文书，行业论文等文档搜索与文档下载，是您文档写作和查找参考资料的必备网站。文档下载 http:/
