LGB38MnV钢连续冷却转变曲线及组织研究

刘升旭，黄勤芳，覃秀凤，程 艳，赵艳君，曾建民

（1.广西职业技术学院，广西 南宁530000；2.广西大学，广西 南宁530000）

0 前言

能源问题不仅是影响工业生产的重要因素，更是整个人类社会可持续发展的核心问题，为缓解能源压力，节约制造成本，各国相继研发出不采用调质处理，又能达到使用要求的结构钢。这种钢是在碳素结构钢或低合金钢中加入微合金元素，使之在轧制或锻造状态下就具有良好的综合力学性能[1]，用来取代调质钢。早期的微合金非调质钢主要是铁素体和珠光体组织，是通过添加Mn及微量合金元素，控制轧制后在极慢的冷速下冷却，不经调质处理，即能达到力学性能要求的钢种[2，3]。为了改善非调质钢的韧性，贝氏体和马氏体型非调质钢相继问世。贝氏体型非调质钢既具有较高的强度，又有良好的低温韧性，可用来替代Cr-Mo合金结构钢，制造汽车前梁等部件。我国学者采用锻后空冷的方法，开发出具有良好强韧配合的贝氏体钢[4]。利用细晶强化原理，制备出超细晶高强度贝氏体钢[5]。此外，有很多学者对贝氏体非调质钢的疲劳性能进行了研究，包括微观组织与疲劳性能关系的研究[6，7]，提出采用微合金化的方法来提高疲劳强度[8]。随着钢材使用性能的不断提高，原有的铁素体—珠光体型非调质钢很难满足高韧性的要求，对马氏体进行强化的高强度非调质钢成为一个新的研究趋势[9-13]。

钢铁材料的CCT曲线能够系统地表达过冷奥氏体在连续冷却过程中发生的相变，这就为研究非调质钢的过程提供了相变理论依据，对实际生产有着重要的指导作用[14]。

1 实验材料与方法

利用Gleeble-3500热模拟机测量LGB38MnV钢CCT曲线时，试样尺寸为16 mm×71 mm的圆棒，在电火花线切割机上进行加工，要求试样表面光滑且两端面平行。试样的自由跨度为10 mm，在试样的中心位置焊接热电偶，装夹示意图如图1.所用设备是DSI公司配备的微型焊接机，采用K型热电偶。为达到最佳焊接效果，将焊丝沿45°角方向剪掉一段，焊接电压为33 V.

图1 CCT曲线试样装夹示意图

根据膨胀法测相变的原理可知，本实验需采用Dilatometer膨胀仪测量试样在加热和冷却过程中的膨胀量变化曲线，从而确定对应的相变温度。利用CCT软件，以温度为纵坐标，时间对数为横坐标，将同种相转变的起始温度点和终止温度点连成圆滑曲线，获得CCT曲线。

2 实验结果与分析

2.1 CCT曲线的绘制

相转变点测量试验所得到的膨胀曲线如图2所示，由于所用夹具系统内部摩擦力较大，采样频率偏大，导致所得膨胀量随温度变化曲线产生波动，但整体趋势明显，并不影响相变点的测量。从膨胀曲线上可以看出：加热过程中膨胀量由0逐渐增加，最大膨胀量为0.07 526 mm；保温过程中膨胀量几乎不变；冷却阶段，膨胀量从最大值逐渐减小到0.01 150 mm，加热和冷却阶段均出现两个拐点。采用切线法确定曲线开始变化的拐点，即为相转变点。测得的Ac1、Ac3、Ar3和Ar1值分别为 733℃、853℃、794℃和589℃.本实验选取的奥氏体化温度为900℃，高于这四个温度。见图2.

图2 测量相变点的膨胀曲线

图3为实验钢在不同冷速下的膨胀曲线，采用切线法可测得LGB38MnV钢在不同冷速下的相转变点。其中马氏体转变的温度开始点在350℃左右，贝氏体转变温度开始点在400℃左右，珠光体转变温度开始点在600℃左右。

（续下图）

（接上图）

图3 不同冷速下LGB38MnV钢的膨胀曲线

利用CCT软件，以温度为纵坐标，时间对数为横坐标，将同种相转变的起始温度点和终止温度点连成曲线，获得CCT曲线。冷却曲线最下端的数字为试验钢在该速度下冷却后的维氏硬度（HV）。

图4为LGB38MnV钢的静态CCT曲线，其中Ms代表马氏体转变的起始点，A、F、P、B分别代表奥氏体、铁素体、珠光体和贝氏体。从图中可以看出：试验钢的CCT曲线中出现了高温转变区、中温转变区和低温转变区，对应的产物分别是铁素体+珠光体、贝氏体和马氏体，但在文献[14]中，所测得38MnVS钢的CCT曲线中铁素体转变和珠光体转发生在两个不同的相转变区内，并且所得各转变区彼此相连，而本文得到的CCT曲线中，铁素体与珠光体转变在同一个相变区域内，高温、中温、低温三个转变区彼此分离，呈现不连续状态，这是由于铁素体与珠光体转变温度相近，在冷却膨胀曲线上未测出铁素体转变的拐点，同时，由于强碳化物形成元素V的存在，形成VC，固溶在奥氏体中，增加了过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体转变，使其转变区域明显右移。铁素体和珠光体转变的临界冷却速度为1℃·s-1，低于这个冷速会得到铁素体+珠光体组织；在1°C·s-1～2℃·s-1范围内冷却时，会得到贝氏体组织；冷速大于3℃·s-1时，得到马氏体组织。

图4 LGB38MnV钢的静态CCT曲线

此外，从该试验钢的CCT曲线上也可看出冷速对转变产物硬度的影响。从整体上看，随着冷却速度的提高，转变后产物的硬度不断增大，这和组织密切相关。但是在30℃·s-1和40℃·s-1的速度下冷却时，组织的硬度出现了突变，低于高温转变区内其他冷速下的硬度。

2.2不同冷速下的组织分析

图5为LGB38MnV钢在不同冷速下转变产物的扫描电镜组织照片，冷速小于1℃·s-1时，转变后产物为铁素体+珠光体组织。

（1）冷速小于1℃·s-1.如图5所示，黑色区域为先共析铁素体，呈块状，而在珠光体区域中，黑色和白色层片状组织分别为铁素体和渗碳体。从组织照片中还可以清楚的看出原奥氏体晶界的痕迹，在一个奥氏体晶粒内，可以形成几个珠光体团，这些珠光体团是由若干大致平行的片状铁素体与渗碳体组成。试验钢在0.5℃·s-1的速度下冷却时，得到的铁素体数量明显比0.3℃·s-1时的少，在两个速度下产生的铁素体均沿着原奥氏体晶界处生长。

图5 冷速小于1°C·s-1的扫描显微组织

（2）冷速为 1～2 ℃·s-1.如图 6所示，在图（a）和（b）中，分别为1℃·s-1和1.5℃·s-1时冷却的转变组织，所得到的产物主要是沿原奥氏体晶界生长的长条状铁素体、少量块状铁素体和羽毛状的上贝氏体，同样可以看出铁素体沿奥氏体晶界生长，但铁素体的含量较冷速小于1℃·s-1时的少很多，在这个区间内未出现马氏体组织。

图6 冷速为1～2℃·s-1的扫描显微组织

（3）冷速大于2℃·s-1.如图7所示，当试验钢在3℃·s-1～10℃·s-1之间冷却时，得到的组织为板条状马氏体和羽毛状上贝氏体组织，随着冷速的增大，贝氏体的数量急剧较少，而马氏体的数量逐渐增多，如图（a）～（c）。当冷速大于等于 20 ℃·s-1时，只能看到马氏体组织，贝氏体组织全部消失，如图（d）。

图7 冷速大于2℃·s-1的扫描显微组织

3 结论

（1）LGB38MnV钢的CCT曲线中出现了高温转变区、中温转变区和低温转变区，其产物分别是铁素体+珠光体，贝氏体和马氏体。珠光体组织转变的临界冷却速度为1℃·s-1，冷速介于1℃·s-1到2℃·s-1时，出现贝氏体组织，当冷速大于2℃·s-1时，开始出现马氏体组织。

（2）随着冷却速度的提高，LGB38MnV钢转变组织的硬度逐渐增大，但在30℃·s-1和40℃·s-1的速度下冷却时，组织的硬度出现了突变。

（3）LGB38MnV钢在小于1℃·s-1的速度下冷却时，其产物为块状铁素体和层片状珠光体组织；在1℃·s-1～2℃·s-1之间的速度下冷却，得到针状铁素体、块状铁素体和羽毛状上贝氏体组织；当冷速大于2℃·s-1时，开始出现板条状马氏体组织，冷速高于20℃·s-1时，产物为全部马氏体组织。

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