Q235钢（变形量和变形后保温时间）中变诱导铁素体逆相变的影响检测方案(金相显微镜)

变形量和变形后保温时间对Q235钢形变诱导铁素体逆相变的影响 王倩，杨忠民，吴春京 （ 1. 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083； 2. 钢铁研究总院结构材料研究所，北京100081） 关键词：形变诱导铁素体；逆相变；Q235钢 0 引言 在钢铁材料显微镜组织超细化研究进程中，形变诱导铁素体相变现象以及相关机理的研究受到了广泛的重视。而在实际工业生产中，轧制后直接水冷是难以实现的，因此，有必要研究动态相变形成的形变诱导铁素体在变形后的时间稳定性，即逆相变行为，作为形变诱导铁素体相变的伴生相变——逆相变，已被众多的研究者观察到，Yada和Lee等在测定低碳钢热压缩变形后膨胀量与等温时间曲线时，发现等温过程中膨胀量减小；杨忠民等对Q235钢变形后保温0.5s水淬时发现在形变中获得的铁素体为非稳态，形变结束后会在该温度下自发向奥氏体发生转变；刘清友等对09CuPTiReNb钢进行了形变诱导铁素体体积分数与变形温度关系的研究，认为在变形后的短时间等温过程中会发生α→γ逆相变，而且这个逆相变是在Ae3之下发生的。这一现象的存在，将会直接影响到最终钢材的显微组织，是材料具有不同的力学性能，但目前关于逆相变的研究还较少。因此，作者通过对Q235钢不同变形量和变形后保温时间的试验研究，探讨了这两个因素对形变诱导铁素体逆相变的影响。 1 试样制备与试验方法 试验材料为Q235钢，其化学成分（质量分数/%）为0.18C，0.60Mn，0.21Si，0.016P，0.020S。锻后进行920℃×1h正火，加工成φ8mm×15mm小圆棒试样。在Gleeble1500热模拟试验机上进行压缩试验。试验工艺：试样加热到950℃保温5min，以10℃·s-1速率冷却到试验温度800℃，应变速率10s-1，分别进行20％，30％压缩变形后相应保温0.5，10，15，20，30s后立即水淬，在60％变形后保温0.5，10，30，40，50s后立即水淬。变形水淬后的试样经抛光、4%硝酸酒精浸蚀后观察显微组织。 2 试验结果与分析 文献【3，6】报道了变形诱导铁素体相变发生的温度区间很宽，包含了单一奥氏体区、临界奥氏体温区、两相区（Ae3 = 840℃,Ar3 = 780℃）。而对形变诱导铁素体相变的研究普遍在临界奥氏体温区，因此按照上述试验工艺温度来研究变形量和保温时间对变形诱导铁素体逆相变的影响。不同变形保温条件的显微组织变化见图1、2、3. 从图1可以看出，随保温时间的延长，显微组织中的铁素体从不规则的形变诱导铁素体逐渐转变为多边形先共析铁素体，铁素体含量出现有多到少、再到多的变化趋势（图4）。压缩变形20%后直接水淬可观察到约有30%的形变诱导铁素体产生；保温5s后铁素体含量无明显变化，但晶粒尺寸发生明显的长大，这可能是由于在相对高温变形时，原子活动能力较强，形变诱导铁素体发生回复所致；保温10s后，铁素体主要是不规则形貌铁素体分布在变形奥氏体晶界及晶内形变带上，但含量明显低于变形后直接水淬试样的，表明形变诱导铁素体发生了向奥氏体转变的逆相变；保温15s后，组织中出现少量的多边形先共析铁素体，铁素体数量增加；保温20s后，铁素体形态几乎全部转变为多边形，铁素体数量也明显增加，这可能是在长时间保温过程中发生了奥氏体向铁素体的平衡转变所致；保温30s后，铁素体含量比20s时的又有所增加，形态基本为多边形先共析铁素体。 由图2可见，压缩变形量增加至30%时，直接水淬后在奥氏体晶内和晶界上约有38%的形变诱导铁素体产生；保温5s后不规则铁素体数量已开始减少，表明此时形变诱导铁素体已发生了逆相变，可见比20%变形量是发生逆相变所需时间要短，而且晶粒尺寸变大；保温10s后铁素体数量增加，而且多以成串状分布在形变奥氏体晶界上，已多边形先共析铁素体为主；而保温分别为15，20和30s后，多边形先共析铁素体数量不断增加，同时晶粒不断长大。 由图3可见，压缩变形量进一步增加到60%时，直接水淬后约有65%的形变诱导铁素体产生，高于变形量为20%，30%直接水淬得到的铁素体量，与变形温度和变形速率相同条件下随着变形量增加形变诱导铁素体逐渐增多的结论相一致；保温5～50s的结果表明了随着保温时间的延长铁素体数量增加和晶粒长大的趋势，说明发生逆相变的时间在5s以前（因试验条件的限制，没有测出发生逆相变的大致时间），比变形量30%的试样发生逆相变时间更短，文献【3】曾做了80%变形量的形变诱导铁素体逆相变试验，结果表明变形后保温0.5s就已经发生了逆相变。综合上述试验结果可以得出，随着变形量的增加发生逆相变所需的时间逐渐缩短。 对形变诱导铁素体发生逆相变的理论解释，目前存在着两种观点，一种认为形变诱导铁素体数量超出该温度下的平衡态数量，因此形变一旦结束，短时保温会发生逆相变；另外一种观点认为由于形变因素的存在其不是常规意义上的平衡态，热力学上是相对不稳定状态，一旦形变影响因素消失，合金体系的自由能会重新建立新的平衡，因而发生逆相变是不可避免的。而从试验变形量对逆相变的影响规律可以看出，由于材料内的形变储能随着变形量的增加而增加，当变形消失后，合金体系就可能会重新建立新的平衡状态，从而导致逆相变的发生，而且形变储能越大导致逆相变的速率就会越快。形变诱导铁素体在保温过程中晶粒在逆相变前发生的长大变化趋势，可能是因为回复所致，而逆相变后的晶粒长大可能是在保温过程中发生了平衡转变形成的先共析铁素体的长大。 3 结论 （1）Q235钢在不同变形量压缩变形后的保温过程中，都存在着形变诱导铁素体的逆相变现象，且随着变形量的增加发生逆相变所需时间逐渐变短。 （2）形变诱导铁素体在变形后保温过程中，随着保温时间的延长，铁素体数量出现了有多到少、再到多的变化趋势；并且铁素体在逆相变前后出现了两种不同原因导致的晶粒长大，其一是逆相变前回复产生的形变诱导铁素体晶粒的长大，其二是逆相变后平衡转变的先共析铁素体的长大。 参考文献 [1] Matsumura Y，Yada H. Evolution of ultrafine grained ferrite in hot successive deformation[J].Trans ISIJ, 1987,27（6）：492—498. [2] Lee S，Kwon D，Lee Y K，et al.Transformation strengthening by thermomechanical treatments in C-Mn-Ni-Nb steels[J].Metall Mater Trans A,1995,26（5）：1093-1100. [3] 杨忠民，赵燕，王瑞珍，等. 形变诱导铁素体相变的形成机制[J].金属学报，2000，36（8）：818-822 [4] 翁宇庆. 超细晶粒钢[M].北京：冶金工业出版社，2003：81，112. [5] 裴新华，吴申庆，胡恒法，等.低碳钢临界奥氏体的变形行为[J].机械工程材料，2006，30（4）：26-29. [6] 刘朝霞，佟铭明，黄成江，等.低碳钢形变诱导铁素体相变过程中潭的扩散行为[J].金属学报，2004，40（9）：930-934. [7] 刘清友.Nb对形变诱导铁素体相变的影响[D].北京：钢铁研究总院，2007.     在钢铁材料显微镜组织超细化研究进程中，形变诱导铁素体相变现象以及相关机理的研究受到了广泛的重视。而在实际工业生产中，轧制后直接水冷是难以实现的，因此，有必要研究动态相变形成的形变诱导铁素体在变形后的时间稳定性，即逆相变行为。