奥氏体晶粒细化的研究

摘　要：在Gleeble1500热模拟机上以SS400钢为研究对象，用冷加工+回火再结晶和冷加工+α→γ逆相变等工艺，研究了冷变形对马氏体(铁素体)再结晶行为的影响以及奥氏体晶粒细化的方法。结果表明：低温变形对板条马氏体的再结晶行为有一定影响，并且由于低温变形后快速升温的铁素体回复、再结晶与奥氏体(铁素体)相变等相继发生，从而得到比较细小的奥氏体晶粒。

关键词：奥氏体；逆相变；铁素体；晶粒细化；马氏体

1　引　言

由于晶界的优先形核作用，如奥氏体晶粒细小，则晶界总面积提高，晶界形核贡献加大，因而导致铁素体晶粒细化。然而，当相变伴随形变时，由于形变导致位错缠结、变形带、孪晶等晶体缺陷密度提高，晶内形核贡献加大，原始奥氏体晶粒尺寸作用有所下降。多年来，学者们对高温下奥氏体形变再结晶及晶粒细化问题进行过深入的研究[1-6]。Grange等曾在1965年提出两种细化奥氏体晶粒的方法[1]，一是在Ac3点附近施加大变形，得到完全再结晶组织后快冷的所谓“形变热处理工艺”；二是在室温与Ac3点之间的所谓“快速加热冷却循环工艺”。

作者以SS400钢为对象，采用冷加工+回火和冷加工+α→γ逆相变等工艺，研究了冷加工对马氏体(铁素体)再结晶行为的影响以及马氏体预变形对奥氏体形成的影响，旨在探讨细化奥氏体晶粒的方法。

2　试样制备与试验方法

2.1　试样制备

原材料为宝钢生产的热轧SS400钢，加工成<8mm×15mm的柱状试样，其化学成分(质量分数，%)为0.117C，0.023Si，1.19Mn，0.016P，0.0007S。

2.2　试验方法

将试样沿轴线切开，经金相制作和用过饱和苦味酸+十二烷基苯磺酸钠溶液热蚀显示奥氏体晶界；4%硝酸酒精腐蚀显示铁素体晶界，在光学显微镜下观察显微组织。

在Gleeble1500热模拟机上进行二个试验：(1)冷加工对马氏体(铁素体)再结晶行为的影响。先将试样以3℃/s的加热速度加热到1100℃，保温3min后快速水冷到室温，然后分别以0%、30%、60%的变形量进行冷变形。经冷变形后的试样再加热到650℃或700℃保温3min后淬火。(2)马氏体形变对奥氏体形成的影响。将(1)中0%、60%冷变形量的试样再加热到870℃，保温3min后淬火。

3　试验结果

3.1　形变马氏体的再结晶行为

由图1可见，未经形变马氏体在650℃回火3min后，板条依然保存，但板条粗化而且有碳化物产生。30%形变马氏体在650℃回火3min后，可以观察到一些可能是细小的铁素体再结晶晶粒。当回火温度为700℃时，马氏体已完全被铁素体晶粒和碳化物代替，铁素体已再结晶为细小的晶粒。同时，随变形量的增加，板条马氏体更容易发生动态再结晶。

3.2　预形变对奥氏体形成的影响

由图2可见，原始奥氏体平均粒径为100μm，保温15s后，细小的球状奥氏体在原始奥氏体边界优先形成，在原始奥氏体晶粒内部也可以看到有粒状奥氏体；保温时间延长到60s后，细小的奥氏体晶粒粗化；保温180s后，奥氏体化完成，平均奥氏体粒径为20μm。由图3可见，在保温10s后，板条状马氏体转变为铁素体和细小的碳化物，但在某些区域依然保持着板条的痕迹。在原始奥氏体晶界出现细小的奥氏体。保温16s后，细小的奥氏体颗粒粗化，数量增多。保温60s后，奥氏体化完成，奥氏体平均粒径为12μm。

4　讨　论

4.1　形变板条马氏体(铁素体)的再结晶

未经形变的马氏体板条形貌是稳定的，即使在通常的回火过程中也保持不变。一般认为，尽管马氏体具有高密度位错，与冷变形铁素体相比，未经形变马氏体很难发生再结晶，这主要归因于析出的细小碳化物抑制边界迁移而延迟再结晶。作者对冷变形马氏体加热时观察到再结晶，一些报道[1，4]也表明形变马氏体回火时易发生再结晶，因为未形变板条马氏体已经包含高密度位错，因而形变板条马氏体再结晶的发生不能简单地解释为位错密度的增加。这可能是形变板条马氏体在某种程度上抑制了回复并保存了足够的再结晶形核驱动力，一些学者[1，5]通过TEM观察到未形变与形变板条马氏体之间在回复过程中没有多大差别，这表明冷轧板条马氏体几乎不影响马氏体的回复过程。可以认为形变板条马氏体再结晶发生的主要原因是通过冷加工与形变铁素体有相似的行为，在基体中导入不均匀变形区(有利于再结晶形核)。

       (a)　未经变形　650℃×3min回火                   (b)　30%变形　650℃×3min回火

       (c)　60%变形　650℃×3min回火                     (d)　60%变形　700℃×3min回火

图1　室温形变马氏体和回火温度对再结晶行为的影响

(a)　15s                          (b)　60s                         (c)　180s

图2　未形变马氏体在870℃保温的奥氏体化过程

   (a)　10s                      (b)　16s                          (c)　60s

图3　60%形变马氏体870℃保温时奥氏体化过程

4.2　马氏体形变对奥氏体形成的影响

试验结果表明，未经形变的板条马氏体经奥氏体化后，在保温同样的时间内，奥氏体晶粒大小与形变马氏体的明显不同。随变形量的增加，奥氏体晶粒尺寸明显减小。

未经形变的板条马氏体加热时，奥氏体直接在回火马氏体板条上形成，奥氏体晶粒优先在原始的奥氏体晶粒边界析出。而板条马氏体形变后，再结晶先于奥氏体的形成或与之同时发生，奥氏体在再结晶的细小铁素体晶粒边界形核。因此，形变试样的奥氏体形成行为与未经形变试样有所不同。尽管变形量的增加只轻微加速再结晶，然而奥氏体的形成却随着变形量的增加而加速，由此，奥氏体化行为(奥氏体晶粒大小)由马氏体的再结晶和奥氏体的形成共同控制。

5　结　论

(1)形变马氏体回火时易发生再结晶，其主要原因是通过冷加工在基体中导入不均匀变形区，有利于再结晶形核。

(2)形变试样与未经形变试样中奥氏体的形成有很大的不同。

(3)随变形量的增加，奥氏体晶粒尺寸明显减小。在形变试样中形成的奥氏体晶粒大小由马氏体的再结晶和奥氏体的形成共同控制。当变形量为60%时，奥氏体平均晶粒尺寸约为12μm。