隨著社會(huì)的發(fā)展，一些重要的領(lǐng)域，如碼頭、公路、鐵路、建筑等對高碳鋼絲繩和鋼絞線的需求也逐漸增加，對于高強(qiáng)度、大規(guī)格預(yù)應(yīng)力鋼絞線和鋼絲繩，82B高碳鋼盤條是重要的原材料，因此對82B高碳鋼的品質(zhì)有著較高的要求，要確保其化學(xué)成分穩(wěn)定，顯微組織均勻且無異常，還要有較好的力學(xué)性能。
研究人員以82B高碳鋼為研究對象，繪制了82B高碳鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線，研究了冷卻過程中其內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)變規(guī)律，分析了82B高碳鋼組織在不同冷卻速率下的差異，結(jié)果可為優(yōu)化工藝及控冷效果提供一定的理論依據(jù)。
1、 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法
1.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為某單位生產(chǎn)的82B高碳鋼盤條，其化學(xué)成分如表1所示。將試樣進(jìn)行后續(xù)精加工，制成規(guī)格(直徑×長度)為6mm×80mm的熱模擬圓棒試樣，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 試驗(yàn)方法
在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上測定82B高碳鋼的CCT曲線，以確定其相變溫度區(qū)間及對應(yīng)的冷卻速率。將熱模擬圓棒試樣以恒定的加熱速率進(jìn)行加熱，達(dá)到奧氏體化溫度后，保溫一定時(shí)間，分別以不同的冷卻速率進(jìn)行恒速冷卻，試驗(yàn)過程中用膨脹儀測定出試樣的溫度隨膨脹量變化的曲線，試驗(yàn)后利用Origin軟件在溫度-膨脹量曲線上以切線法來確定不同相的轉(zhuǎn)變溫度。試驗(yàn)中使用氬氣為保護(hù)氣體，以防止試樣被氧化,確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
完成熱模擬試驗(yàn)后，將熱模擬試樣分別制成金相試樣及拉伸試樣，用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡(SEM)觀察其顯微組織,測定索氏體化率及片層間距；用拉力試驗(yàn)機(jī)測試其抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率。
2、 試驗(yàn)內(nèi)容
2.1 82B高碳鋼臨界轉(zhuǎn)變溫度的測定
依照YB/T5127—2018《鋼的臨界點(diǎn)測定 膨脹法》中的要求，利用膨脹法測定82B高碳鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度，其 加熱速率和冷卻速率應(yīng)小于200℃/h。在不影響試驗(yàn)結(jié)果的前提下，為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，可以在較低溫度時(shí)快速加熱。在小于500℃時(shí)快速加熱，在超過500℃及奧氏體化后進(jìn)行冷卻時(shí)，都要嚴(yán)格按照小于200℃/h的速率進(jìn)行冷卻。以2℃/s的加熱速率將試樣加熱到500℃，之后按照200℃/h的加熱速率將試樣加熱到830℃，保溫10min后，以200℃/h的冷卻速率將試樣冷卻，測得試樣的臨界轉(zhuǎn)變溫度(見表2，Ac1 為加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度；Accm為加熱時(shí)二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度；Ar1為冷卻時(shí)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開始溫度；Arcm為冷卻時(shí)析出二次滲碳體的溫度)。
2.2 82B高碳鋼CCT曲線的測定
將熱模擬圓棒試樣以10℃/s的加熱速率加熱到830℃，保溫10min，再分別以0.5，1，2，3，4，5，7，10，12，14，16，18，20，25，30，50℃/s的不同冷卻速率進(jìn)行冷卻，其工藝過程曲線如圖2所示。
當(dāng)82B高碳鋼的組織發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，其冷卻曲線偏離純冷線性收縮線，曲線出現(xiàn)拐折，拐折的起點(diǎn)和終點(diǎn)所對應(yīng)轉(zhuǎn)變的溫度分別是相變開始點(diǎn)及結(jié)束點(diǎn)。依據(jù)熱模擬試驗(yàn)機(jī)測出的不同冷卻速率下試樣的溫度-膨脹量曲線，將不同冷卻速率下的開始溫度、結(jié)束溫度和相轉(zhuǎn)變量等數(shù)據(jù)綜合繪制在溫度-時(shí)間對數(shù)的坐標(biāo)中，即得到CCT曲線。
3、 試驗(yàn)結(jié)果
3.1 CCT曲線的繪制
將試樣冷卻時(shí)的溫度-膨脹量曲線同顯微組織相互結(jié)合，采用切線法確定出不同冷卻速率下試樣的相變轉(zhuǎn)變溫度(見表3，其中A為奧氏體，P為珠光體，S為索氏體，T為屈氏體，B為貝氏體，M為馬氏體)，在溫度-時(shí)間對數(shù)坐標(biāo)中，將具有相同性質(zhì)的相變開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)分別連接起來，即得到CCT曲線(見圖3)。
由表3可知：當(dāng)冷卻速率為0.5~4℃/s時(shí)，顯微組織為索氏體和珠光體；當(dāng)冷卻速率為5~7℃/s時(shí)，組織為索氏體、珠光體和少量馬氏體；當(dāng)冷卻速率為10~12℃/s時(shí)，組織為索氏體、馬氏體和少量珠光體；當(dāng)冷卻速率為14℃/s時(shí)，組織為索氏體和馬氏 體，并且索氏體逐漸細(xì)化；當(dāng)冷卻速 率為16℃/s時(shí)，組織為索氏體、馬氏體和屈氏體，隨著冷卻速率繼續(xù)增大，索氏體變?yōu)榍象w，馬氏體含量逐漸增多，并且有少量貝氏體。
圖3中CCT曲線的冷卻速率從左向右依次為：50，30，25，20，18，16，14，12，10，7，5，4，3，2，1，0.5℃/s，構(gòu)成CCT曲線的主要是發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的開始線、珠光體轉(zhuǎn)變的終止線、馬氏體轉(zhuǎn)變線。在CCT曲線的快速冷卻區(qū)并未繪制出貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，而實(shí)際在冷卻速率大于18℃/s時(shí)，會(huì)有少量貝氏體轉(zhuǎn)變，但因膨脹曲線沒有明顯拐點(diǎn)，無法區(qū)分貝氏體轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)，因此在CCT曲線中并未繪制。
從圖3可以看出：過冷奧氏體在連續(xù)冷卻時(shí)，在冷卻速率不同的情況下，發(fā)生的轉(zhuǎn)變以及組織也有差異。當(dāng)冷卻速率較小時(shí)，轉(zhuǎn)變開始溫度及結(jié)束溫度比較高，隨著冷卻速率繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)變開始溫度及結(jié)束溫度降低，且在相同的轉(zhuǎn)變組織區(qū)域內(nèi)，隨著冷卻速率的增大，組織轉(zhuǎn)變所經(jīng)歷的溫度區(qū)間也隨之增大。
3.2 不同冷卻速率下的顯微組織分析
將熱模擬試樣沿著熱電偶焊接處橫向切開，經(jīng)過磨制、拋光后，用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸乙醇溶液進(jìn)行試樣的腐蝕，觀察試樣橫截面的顯微組織，圖4為不同冷卻速率下82B高碳鋼的顯微組織形貌。
由圖4可知：當(dāng)冷卻速率小于5℃/s時(shí)，室溫(25℃)下組織為珠光體和索氏體，且隨著冷卻速率的增大，珠光體含量逐漸減少，索氏體含量逐漸增加，兩種組織主要區(qū)別在于片層間距不同；當(dāng)冷卻速率為5℃/s時(shí)，組織為珠光體、索氏體和馬氏體，此時(shí)索氏體含量最大，開始出現(xiàn)馬氏體，隨著冷卻速率繼續(xù)增大，索氏體含量逐漸減少，馬氏體含量逐漸增大[見圖4c)，4d)]；當(dāng)冷卻速率為30℃/s時(shí)，組織為屈氏體、馬氏體和少量貝氏體，該冷卻速率下的組織以馬氏體為主，索氏體在快速冷卻速率下轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢娱g 距更細(xì)的屈氏體；冷卻速率繼續(xù)增大為50℃/s時(shí)，無珠光體相轉(zhuǎn)變,室溫下試樣組織為馬氏體和少量的貝氏體。組織中的馬氏體和貝氏體均為異常組織，該異常組織出現(xiàn)后會(huì)降低82B高碳鋼盤條的整體性能，因此室溫下的組織中應(yīng)得到盡可能多的索氏體來滿足82B高碳鋼的正常使用。
3.3 不同冷卻速率對索氏體片層的影響
在冷卻速率大于5℃/s時(shí)，開始出現(xiàn)馬氏體組織，由于馬氏體為異常組織，該組織會(huì)直接影響試樣的整體性能，所以在實(shí)際生產(chǎn)中是不希望出現(xiàn)該異常組織的，而是盡可能得到索氏體組織，然而過多的索氏體會(huì)使試樣強(qiáng)度太高、塑性太差，使試樣的力學(xué)性能下降，因此對冷卻速率為1~5℃/s的試樣，需要利用掃描電鏡進(jìn)一步分析。
圖5為1~5℃/s冷卻速率下82B高碳鋼的SEM形貌，從圖5可以看出：隨著冷卻速率的增加，索氏體平均片層間距逐漸減小，且變得均勻細(xì)密。不同冷卻速率下的索氏體片層間距和力學(xué)性能如表4所示，可知在冷卻速率為5℃/s時(shí)索氏體片層間距最小。
由于連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變與等溫轉(zhuǎn)變不同，連續(xù)冷卻是在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)降溫，而在等溫轉(zhuǎn)變過程中，影響珠光體(索氏體)片層間距的主要因素是轉(zhuǎn)變溫度。隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低，會(huì)形成越來越細(xì)的珠光體組織，所以可以將等溫轉(zhuǎn)變與連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變相結(jié)合，將連續(xù)冷卻過程劃分成間隔為Δt的n個(gè)等溫過程，連續(xù)冷卻過程是這n個(gè)等溫過程的一個(gè)組合。由CCT曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)冷卻速率越大時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變所在的溫度區(qū)間也越大，而開始轉(zhuǎn)變的溫度也越低，所以珠光體(索氏體)片層間距也就越小。
隨著冷卻速率的增大，索氏體化率也在增大，在冷卻速率為5℃/s時(shí)索氏體化率最大，為90.01%，可以發(fā)現(xiàn)索氏體化率與索氏體片層間距有較好的對應(yīng)性；試樣的抗拉強(qiáng)度及斷面收縮率在冷卻速率為3℃/s時(shí)達(dá)到了最佳，抗拉強(qiáng)度為1250MPa，斷面收縮率為32%，有著較高的強(qiáng)度與較好的塑性。因此，通過上述分析可以得出，該試驗(yàn)最佳的冷卻速率為小于5℃/s，可確保82B高碳鋼組織的正常，且82B高碳鋼在冷卻速率為3℃/s時(shí)的綜合性能最佳。
4、 結(jié)論
(1)82B高碳鋼臨界點(diǎn)Ac1為731℃，Accm為780℃。
(2)冷卻速率在0.5~4℃/s時(shí)，82B高碳鋼的組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w和索氏體；冷卻速率為5℃/s時(shí)，開始出現(xiàn)馬氏體；當(dāng)冷卻速率為5~30℃/s時(shí)，馬氏體逐漸增多，珠光體和索氏體逐漸減少；當(dāng)冷卻速率達(dá)到50℃/s時(shí)，其組織為馬氏體。82B高碳鋼的最佳冷卻速率應(yīng)該控制在5℃/s以內(nèi)，以避免產(chǎn)生馬氏體組織，從而得到適量的珠光體和索氏體組織，以提高82B高碳鋼的整體性能。
