第１７卷第４期　・２２。２０１１年８月　宽厚板　ＷＩＤＥ　ＡＮＤ　ＨＥＡ、，Ｙ　ＰＬＡＴＥ　Ｖｏｌ＿１７．Ｎｏ．４　Ａｕｇｕｓｔ　２０１１　・技术讨论・　超低碳贝氏体钢的组织与力学性能研究　李继亮　陈士平　穴俊莲　（济钢集团国际工程技术有限公司）　摘要采用ＲＰＣ工艺轧制三种不同成分的超低碳贝氏体钢，用光学金相显微镜对轧态组织进行观察和　分析，研究轧态下的组织和力学性能，并对三种试样的组织和力学性能进行对比。对轧态试样进行扫描及能谱　分析，评定钢中非金属夹杂物，目的在于开发一种综合性能良好的超低碳贝氏体钢。　关键词超低碳贝氏体钢组织力学性能　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｕｌｔｒａ　Ｌｏｗ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｂａｉｎｉｔｉｃ　Ｓｔｅｅｌ　Ｌｉ　Ｊｉｌｉａｎｇ，Ｃｈｅｎ　Ｓｈｉｐｉｎｇ　ａｎｄ　Ｘｕｅ　Ｊｕｎｌｉａｎ　（Ｊｉｇａｎｇ　Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ａｓ—ｒｏｎｅｄ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｕｌｔｒａ　ｌｏｗ　ｃａｒｂｏｎ　ｂａｉｎｉｔｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｇｒａｄｅｓ　ｏｆ　ｄｉｆｉｅｒｅｎｔ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ＲＰＣ　ｒｏｉｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｒｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｖｅａｌ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａｓ—ｒｏＵｅｄ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｍａｄｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ。　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｓｔｅｅｌ　ｇｒａｄｅｓ．Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｎｏｎ—ｍｅｔａｌｌｉｃ　ｉｎｃｌｕ—　ｓｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｉｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅ　ａｉｍ　ｉｓ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ａｎ　ｕｌｔｒａ—ｌｏｗ　ｃａｒｂｏｎ　ｂａｉｎｉｔｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｔｈ　ｇｏｏｄ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｕｌｔｒａ　ｌｏｗ　ｃａｒｂｏｎ　ｈａｉｎｉｔｉｃ　ｓｔｅｅｌ，Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　０前言　超低碳贝氏体钢是近２０年来国际上开发的　高强度、高韧性、焊接性能优良的新钢系，被誉为　２１世纪的绿色环保钢种。超低碳贝氏体钢具有　优良的强韧综合性能，极低的ｃ含量能降低或消　除贝氏体铁素体中的渗碳体，钢的韧性得到进一　步的改善。为了保证贝氏体转变的淬透性良好，　适量添加某些合金元素。超低碳贝氏体钢在美　国、英国、日本、德国等发达国家的石油和天然气　管线、工程机械、采挖机械、重型汽车、集装箱、造　船、海军舰艇等领域得到了广泛的应用。在我国，　超低碳贝氏体钢发展较晚，在逐渐扩大的高强钢　市场需求的强大推动下，我国超低碳贝氏体钢的　研究也取得一定进展。　ｌ超低碳贝氏体钢的研究意义　与传统的铁素体一珠光体钢和马氏体淬火回　火钢相比，超低碳贝氏体钢有其独特的优点Ｅ１　Ｊ。　（１）极佳焊接性。在常温甚至寒冷地带，无　需预热（或仅需低预热）和后热处理，降低施工人　员的劳动强度，节约能源。　（２）易与先进的冶金、轧钢工艺相结合。无　需再加热淬火，在生产高级别钢种的同时降低钢　板的生产制造成本。　（３）钢的强度不单单依赖于钢中碳含量和合　金元素的总量，强度的提高主要通过先进的工艺　来获得。因此在强度提高的同时，材料的韧性和　焊接性不损失或损失很小。　（４）韧性的提高不再主要依靠添加合金元素　Ｎｉ，而是通过先进的轧钢工艺来细化晶粒、改变组　织而获得。因此，超低碳贝氏体钢在提高韧性的　同时，节约贵重金属，降低钢板的生产制造成本。　（５）由于成分设计的特殊性，在较宽的冷却　速度范围内，能够获得贝氏体组织，

使厚板生产易　第４期　李继亮等：超低碳贝氏体钢的组织与力学性能研究　。２３・　于控制。　２试验材料及试验方法　２．１试验材料　本试验采用中频真空感应炉冶炼３种成分的　钢锭，均为碳含量０．０３％的超低碳钢。其中：ＡＩ＃　钢含磷０．Ｎ０％；Ａ３＃钢含磷０．Ｎ８％；Ａ４＃钢含磷　０．０９０％，比ＡＩ＃、Ａ３＃钢高；ＡＩ＃钢不含Ｍｏ，Ａ３、Ａ４　＃钢含０．２１％的Ｍｏ，其余合金元素成分大体相　同。其中Ｎｂ采用ＲＰＣ轧制工艺，即驰豫一析出　一控制相变技术。　２．２试验钢的力学性能试验　沿钢板轧制方向切取室温拉伸试样，按照　ＧＢ／Ｔ　２２８—２００２标准，在厚度为６　ｍｍ的板状试　样上机加工成标距尺寸为４５　ｍｍ　Ｘ　１２．６　ｍｍ×６　ｍｍ的拉伸试样，如图ｌ。采用型号为ｃＭＴ５ｌ０５　的ＳＡＮＳ微机控制电子万能试验机进行测试。　Ｒ１２　图１室温拉伸试样　２．３扫描电镜样品制备　ＡＩ＃、Ａ４＃钢热轧后，用金刚石磨料抛光试样，　试样抛光时，避免夹杂物的剥落、变形或抛光表面　被污染，保证检验面尽可能干净和夹杂物的形态　（ａ）ＡＩ＃钢　不受影响。采用扫描电镜（ＳＥＭ）观察钢中非金　属夹杂物，利用能谱仪（ＥＤＳ）分析夹杂物的成分。　３轧态下钢的组织　试验钢经ＲＰＣ工艺轧制后的显微组织如图　２。图２（ａ）为轧后弛豫５０　Ｓ后加速冷却工艺下获　得的多边形铁素体和少量贝氏体组织，原始奥氏　体晶界已模糊，Ａ１＃钢由于没有加入提高淬透性　的元素Ｍｏ，只在原始奥氏体晶界处有少量的贝氏　体组织和先共析等轴铁素体，而大量的准多边形　铁素体在原始奥氏体晶内形成，在轧后弛豫过程　中，原始奥氏体晶内已有铁素体析出，并在弛豫过　程中长大。Ａ３＃钢由于添加了少量的Ｍｏ元素，提　高了过冷奥氏体的稳定性，抑制了先共析铁素体　和珠光体转变，促进了贝氏体转变　Ｊ，其组织形　貌与ＡＩ＃钢有很大的不同，从图２（ｂ）看到，组织　中有大量的粒状贝氏体和少量板条贝氏体和准多　边形铁素体，可清晰地看到原始奥氏体晶界，原始　奥氏体被压缩成沿轧制方向拉长的“饼状”，使贝　氏体板条变短，组织得到细化。Ａ４＃钢的组织和　Ａ３＃钢近似，轧态为粒状贝氏体＋准多边形铁素　体＋残留奥氏体，图２（Ｃ）原始奥氏体晶界和贝氏　体板条界面上黑色形状不规则的组织，通过ＴＥＭ　观察组织为残余奥氏体，可以看出残余奥氏体分　布相比Ａ３＃钢稍多。　（ｂ）Ａ３＃钢　（ｃ）Ａ４＃钢　图２试验钢的轧态组织　４轧态钢板的力学性能　图３为试验钢经ＲＰＣ工艺轧制后的力学性　能。组织主要为准多边形铁素体的Ａ１　钢，无论　是抗拉强度还是屈服强度都比以贝氏体为主的　Ａ３＃和Ａ４＃钢低１００　ＭＰａ以上，但ＡＩ＃钢的塑性比　Ａ３＃和Ａ４＃钢要好。Ａ４＃钢由于Ｐ元素含量较高，　Ｐ在钢中的固溶强化作用明显，其强度在三种钢　中最高，屈服强度达到了５７５　ＭＰａ，抗拉强度为　７２０　ＭＰａ，而塑性并没有因为Ｐ的大量加入而降　低，

和Ａ３＃钢基本相当。超低碳贝氏体钢优异的　・２４・　宽厚板　第ｌ７卷　力学性能在于其细化的贝氏体组织。Ｂ元素和较　高的Ｍｎ含量增强了钢的淬透性，促进了显微组　织中板条和粒状贝氏体的形成，从钢的延伸率和　面缩率看，超低碳贝氏体钢的板条贝氏体组织内　大量的位错和亚晶组织使得其延伸率和面缩率　高，本文在成分设计上选择了Ｃ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｂ的　最佳配合，因而在较大冷却速度范围内都能形成　贝氏体组织。由于碳含量低，为了提高强度，加人　了成本较低的Ｂ元素提高钢的淬透性，抑制铁素　体在奥氏体晶界形核，使铁素体转变曲线右移，贝　氏体转变曲线变得扁平，同时Ｍｎ、Ｍｏ等元素起到　固溶强化的作用。加入Ｎｂ元素是现代控制轧制　工艺的需要，Ｎｂ可以延迟奥氏体再结晶。未再结　晶区轧制时，由于Ｎｂ、ｃｕ、Ｂ的综合作用，大量微　细析出物钉扎在变形的奥氏体晶界，有效阻碍了　奥氏体的再结晶，使奥氏体基体中大量的畸变得　以保留和积累。高温变形后的应变诱导Ｎｂ　（ＣＮ）析出，能显著稳定奥氏体中的位错结构，这　些位错结构在贝氏体转变过程中几乎被整体继　承，从而大幅度增加贝氏体中的位错密度。同时，　通过在奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区进行　大变形量的轧制，降低终轧温度，轧后弛豫析出和　控冷等措施起到固溶强化、位错强化、沉淀强化、　细化晶粒等作用，大大提高了材料的强度和韧性。　ＡＩ＃钢　Ａ３＃钢　Ａ４＃钢　图３试验钢的力学性能　５钢中非金属夹杂物评定　钢中非金属夹杂物是不可避免的，其存在使　金属基体的连续性受到破坏，非金属夹杂物在钢　中的形态、含量和分布不同程度地影响钢的各种　性能，如常规力学性能、疲劳性能、加工性能等。　２Ｏ　ｍ　电子图谱　因此，正确测定与评价钢中非金属夹杂物是提高　钢材质量不可忽视的环节。　对试验钢中非金属夹杂物进行扫描电镜及能　谱分析，结果见图４。　１　２　３　４　５　６　７　８　９　Ｆｕｌｌ　Ｓｃａｌｅ　１７９２　ｄｓ　Ｃｕｒｓｏｒ．０．０００　ｋｅＶ　图４　ＡＩ＃钢夹杂物照片及能谱分析　可以看出，此夹杂物具有高的延展性，Ｌ＝６　ｍ，有较宽的范围形态比（长度／宽度），端部呈　圆角。　从能谱分析和表１可以看出，ｓ元素和Ｍｎ元　素所占的质量百分比最高。根据金属材料金相热　处理检验方法标准…，对钢中非金属夹杂物进行　８　７　６　５　４　３　２　１　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　、《／ｚ　．　∞（Ｉ窨，ｓＨ　第４期　李继亮等：超低碳贝氏体钢的组织与力学性能研究　・２５・　评级测定，将所观察的视场与标准图谱对比，确定　此夹杂物为硫化物（Ａ类），其级别低于０．５级。　由图５看出，此夹杂物基本没有变形，Ｌ＝１０　Ｉｘｍ，形态比小（一般＜３），沿轧制方向排成一行。　从能谱分析和表２可以看出，０元素和Ａｌ元　素的所占质量百分比最高。根据金属材料金相热　处理检验方法标准　Ｊ，对钢中非金属夹杂物含量　进行测定，确定此夹杂物为氧化铝（Ｂ类），级别　低于标准评级的０．５级。　表１　ＡＩ＃钢夹杂物的元素含量　１　２　３　４　５　６　７　８　９　Ｆｕｌｌ　Ｓｃａｌｅ　４６７８　ｃｔｓ　Ｃｕｒｓｏｒ．Ｏ．０００　ｋｅｙ　电子图谱　图５　Ａ４＃钢测定钢中夹杂物照片及能谱分析　表２　Ａ４＃钢夹杂物的元素含量　６结语　本文对三种不同成分的超低碳贝氏体钢在　ＲＰＣ轧制工艺下的组织、力学性能做了系统的研　究，得出以下结论：　（１）Ａｌ＃钢中没有加人提高淬透性的元素　Ｍｏ，轧态组织由准多边形铁素体和少量贝氏体组　成；Ａ４＃钢组织和Ａ３＃钢近似，轧态组织均为粒状　贝氏体＋板条贝氏体＋残余奥氏体，Ａ４＃钢的残　余奥氏体比Ａ３＃钢略多。三种钢经过ＲＰＣ工艺　轧制后，ＡＩ＃钢强度比Ａ３＃和Ａ４＃钢低１００　ＭＰａ以　上，但Ａ１＃钢的塑性比Ａ３＃和Ａ４＃钢要好。Ａ４＃钢　由于Ｐ元素含量较高，Ｐ在钢中的固溶强化作用　明显，因此Ａ４＃钢的强度最高。　（２）经测定，钢中非金属夹杂物主要为硫化　物（Ａ类）和氧化铝（Ｂ类）夹杂，其级别均低于标　准评级的０．５级。　参考文献　１　赵路遇．超低碳贝氏体钢及其在舰船上的应用［Ｊ］．材料开发　与应用，２００６，２１（２）：３４—３７．　２俞德刚，贝氏体相变理论进展概况［Ｊ］．金属热处理学报，　１９９６，１７（增刊）：４７—５０．　３　Ｓｈａｎｇ　Ｃ　Ｊ，Ｗａｎｇ　Ｘ　Ｍ，Ｙａｎｇ　Ｓ　Ｗ，ｅｔａ１．Ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐａｃｋｅｔ　ｓｉｚｅ　ｉｎ　ｌｏｗ　ｃａｒｂｏｎ　ｂａｉｎｉｔｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｂｙ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｔｈｅｒｍｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ｊ　Ｕｎｉｖ　Ｓｃｉ　Ｔｅｃｈｎｏｌ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，２００４，１１（３），２２．　４冶金工业信息标准研究院冶金标准化研究所．中国标准出版　社第五编辑室．金属材料金相热处理检验方法标准汇编［Ｍ］．　北京，中国标准出版社，２００６，３—８２４．　李继亮，男，２００９年毕业于东北大学材料与冶金学院，助　理工程师。　收稿日期：２０１１—０３—０１