辛 蕊，张国宏，吴开明，马国勇，严 睿，乔文玮

(1. 武汉科技大学国际钢铁研究院，湖北 武汉，430081；2. 武昌船舶重工集团有限公司，湖北 武汉，430060；3. 江苏华能电缆股份有限公司，江苏 高邮，225613)



Al对高碳钢连续冷却转变行为的影响

辛 蕊1，张国宏1，吴开明1，马国勇2，严 睿2，乔文玮3

(1. 武汉科技大学国际钢铁研究院，湖北 武汉，430081；2. 武昌船舶重工集团有限公司，湖北 武汉，430060；3. 江苏华能电缆股份有限公司，江苏 高邮，225613)

通过热处理试验结合热力学与动力学计算，研究连续缓慢冷却过程中Al元素对高碳钢组织转变的影响。结果表明，未添加Al的高碳钢中，显微组织由马氏体及残余奥氏体组成，含1.37%Al的高碳钢中出现了体积分数为5.1%的珠光体组织，且宏观硬度降低了约0.8 HRC，这是由于Al的加入能使高碳钢的共析点向高温高碳方向移动，提高了珠光体转变的临界冷却速度及相变开始温度，加速了珠光体组织的形成。

高碳钢；Al；珠光体；连续冷却；相变；显微组织；宏观硬度

Al作为铁素体稳定元素之一，在反应中能促进奥氏体转变，缩小奥氏体相区，并使铁素体稳定区域扩大[1]，因而能起到细化晶粒、提高钢抗氧化性和耐蚀性以及改善钢的电磁性能等作用。盛振栋等[2]研究了Al对热挤压模具钢SDAH13连续冷却转变的影响，结果表明，Al元素显著提高了SDAH13钢的Ac1、Ac3和Ms点，扩大了α+γ两相区，且加入0.77%和0.43%Al的SDAH13钢的珠光体临界冷速高于无Al钢。Houtin等[3]研究表明，奥氏体化温度为900 ℃的合金钢Fe-0.4C-0.62Mn-0.30Si-0.024Al冷却至670～560 ℃范围时，必须使用70～140 ℃/s的超快冷却速度才能得到全珠光体组织。然而在实际热处理大尺寸钢件时，很难达到如此高的冷速。Yi等[4]由此设计了Al含量分别为2.1%、2.5%的两组中碳高铝钢，从铸造态缓慢冷却时得到几乎是全珠光体组织。Wu等[5]设计了两组高碳钢(0.78%C)，经奥氏体化后以不同速度冷却，发现含Co、Al钢中，冷速小于0.1 ℃/s下即可得到全珠光体组织，而不含Co、Al钢中，小于0.05 ℃/s的冷速才能得到全珠光体组织，这表明Co、Al元素能扩展珠光体冷却转变区间。基于此，本文在前述研究的基础上，重点研究Al元素的加入对高碳钢连续冷却转变行为的影响。

1 试验材料及方法

本文设计了两组高碳钢，其化学成分如表1所示。由表1可知，除是否添加Al元素外，两组高碳钢的化学成分基本相同，分别记作Free-Al、1.37Al。

表1 高碳钢的化学成分(wB/%)

首先，将试验钢在真空退火炉中于1200 ℃下等温处理2天，待成分组织均匀化后，炉冷至室温，采用线切割方式从钢坯上截取尺寸为7 mm×7 mm×20 mm的试样。热处理试验在箱式炉中进行，以5 ℃/min的升温速度将样品加热至940 ℃，等温10 min，待其完全奥氏体化后关闭设备，试样随炉冷却至室温。在冷却过程中，多次监测并记录试样的温度变化，计算得不同温度区间的冷却速度如表2所示。

利用光学显微镜(OM，Olympus BM51)、扫描电镜(SEM，Sirion 200)和透射电镜(TEM，JEM-2010HT)观察分析热处理后试样的组织形貌；使用HR-150A型洛氏硬度计测量样品表面的宏观硬度，载荷为150 kg，每个样品测定5个值，平均值即为试样的宏观硬度；珠光体体积分数测定参照ISO 9042—1988《钢格点统计组分体积系数的人工点计数法》。

表2 随炉冷却速度的计算值

2 结果与分析

2.1 微观组织

经热处理后钢样的OM、SEM、TEM照片分别如图1～图3所示。由图1可见，Free-Al钢的室温组织主要由马氏体与残留奥氏体构成，图1(a)中灰色为块状马氏体，黑色片状为板条马氏体，白色部分为残留奥氏体；1.37Al钢随炉冷却后得到的组织也主要由马氏体与残留奥氏体构成，此外还出现了少量的珠光体团，即图1(b)中黑色团状物，测得其体积分数为5.1%左右。结合图2和图3进一步看出，1.37Al钢中出现少量白色片层状或团状珠光体组织，在TEM下甚至观察到铁素体和渗碳体片层，此衬度下铁素体片层呈黑色，渗碳体片层呈白色。

(a) Free-Al (b)1.37Al

图1 钢样的OM照片

Fig.1 OM images of steel samples

(a) Free-Al (b)1.37Al

图2 钢样的SEM照片

Fig.2 SEM images of steel samples

(a) Free-Al (b)1.37Al

图3 钢样的TEM照片

Fig.3 TEM images of steel samples

2.2 宏观硬度

所测Free-Al和1.37Al钢样的宏观硬度平均值分别为51.2 HRC和50.4 HRC，与显微组织的结果相符，这是因为1.37Al钢样在随炉冷却过程中，产生了珠光体组织，而珠光体的硬度远小于马氏体，但因生成珠光体量较少，因此宏观硬度的下降幅度不大，仅降低了0.8 HRC。

3 讨论

3.1 Fe-C平衡相图的计算

用ThermoCalc软件和ThermoTech数据库计算试验钢的Fe-C相图垂直截面，结果见图4。由图4可以看出，加入1.37%Al后，相图中Ae1线、GP线、Ae3线均向高温方向移动，Acm基本不变，且α单相区及α+γ两相区面积增大，γ+Fe3C两相区面积减小；此外，钢的共析点也向高温高碳方向移动，即未添加Al元素时，钢共析点的碳含量为0.519 %，共析温度为757.75 °C，加入1.37%Al后，共析点碳含量升至0.753%，共析温度则升为789.55 ℃。这是由于珠光体转变属于扩散型相变，新相形核和长大均依靠原子的长距离扩散及相界面的移动，而共析转变温度的提高增加了珠光体相变驱动力，促进了珠光体转变，因此钢的显微组织由只有马氏体和残留奥氏体到开始出现少量珠光体。

(a) Free-Al

(b)1.37Al

3.2 等温转变曲线和自由能变化

利用MUCG83软件计算试验钢的等温转变(TTT)曲线及自由能变化，结果如图5所示。从图5(a)的TTT曲线看出，Al元素的加入可提高珠光体转变温度，使C曲线上移，同时能缩短珠光体转变时间，使C曲线左移。而珠光体转变温度的升高，可提高碳在奥氏体中的扩散速度，对珠光体转变具有加速效果，同时还能提高共析转变温度和加大过冷度。

(a) TTT曲线

(b) 自由能变化

从图5(b)可以看出，Al元素可增加奥氏体向珠光体转变的自由能。珠光体转变为局部平衡相变过程，转变驱动力则归因于在系统状态内准平衡态到正平衡态的转变趋势，在这两种平衡态的转变过程中，可能为铁素体析出提供驱动力[4]。完全珠光体的获得在传统意义上需要共析成分钢[6]，然而理论与实验证明，即使在低碳或过共析钢中，低于共析温度下的奥氏体也有可能转变为全珠光体。Hultgren[7]利用外推法研究表明，在转变温度低于平衡共析温度条件下，通过延伸γ+θ/γ相或α+γ/γ相的局部区域，奥氏体也有转变为全珠光体的可能性[6, 8]。从图4所示的平衡相图可知，未添加Al元素的钢实际为过共析钢，而Al元素的加入增加了热力学驱动力，扩大了γ+θ/γ相区，导致新相的形核速率极高，在准平衡态到正平衡态的转变过程中，能显著抑制过共析渗碳体形成，在相对较快的冷却速度下，即可形成铁素体片层，从而促进了珠光体的形成。

3.3 连续冷却转变曲线

利用J-MatPro软件计算得试验钢的连续冷却转变(CCT)曲线如图6所示，图中可以看出连续冷却转变后所得不同组织的冷却速度范围。由图6可知，加入1.37%Al后，珠光体转变的连续冷却速度范围扩大，且珠光体转变临界冷速增加，这与图1～图3所示的显微组织分析结果一致。此外，本试验用钢均为高碳过共析钢，也即是说，获得珠光体组织需要较慢的冷却速度。加入Al元素后，虽然1.37Al钢中的碳含量(0.81%)仍高于共析点(0.753%)，但与Free-Al钢相比更接近共析点，即能在相对较快的冷却速度下获得珠光体。另一方面，Al元素使共析点温度和珠光体转变温度升高，碳在奥氏体中的活度增加，有利于过冷奥氏体中合金碳化物的形成，两者共同作用促进了珠光体的形核及长大。由此可见，Al元素的加入提高了珠光体转变的临界冷速及相同冷却速度下的转变开始温度及最终转变量。

图6 高碳钢的CCT曲线

4 结论

(1)在高碳合金钢中加入1.37%的Al元素后，可使共析点向高温高碳方向移动，共析点碳含量升高至0.753%，共析温度升高至789.55 ℃。

(2)在连续缓慢冷却条件下，Al元素的加入提高了珠光体转变的临界冷速。未加Al元素高碳钢的显微组织由马氏体和残留奥氏体组成，添加1.37%Al后，钢中还出现了体积分数为5.1%的珠光体组织，宏观硬度降低了0.8 HRC。

[1] Yi H L, Hou Z Y, Xu Y B, et al. Acceleration of spheroidization in eutectoid steels by the addition of aluminum[J]. Scripta Materialia, 2012, 67: 645-648.

[2] 盛振栋, 左鹏鹏, 吴晓春. Al对热挤压模具钢SDAH13连续冷却转变规律的影响[J]. 工程科学学报, 2016,38(11): 1559-1568.

[3] Houin J P, Simon A, Beck G. Relationship between structure and mechanical properties of pearlite between 0.2% and 0.8%C[J]. Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan, 1981, 21(10): 726-731.

[4] Yi H L. Full pearlite obtained by slow cooling in medium carbon steel[J]. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527(29-30): 7600-7604.

[5] Wu K M, Bhadeshia H K D H. Extremely fine pearlite by continuous cooling transformation[J]. Scripta Materialia, 2012, 67(1): 53-56.

[6] Bhadeshia H K D H, Honeycombe R W K. Steels: microstructure and properties[M]. London: Butterworth-Heinemann, 2006.

[7] Hultgren A. Isothermal transformation of austenite[J]. Transaction of the ASM, 1947, 39：915-987.

[8] Marder A R, Bramfitt B L. The effect of morphology on the strength of pearlite[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 1976, 7(3): 365-372.

[责任编辑 董 贞]

Effects of Al on the transformation behavior of high carbon steel during continuous cooling

XinRui1,ZhangGuohong1,WuKaiming1,MaGuoyong2,YanRui2,QiaoWenwei3

(1. International Research Institute for Steel Technology, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2. Wuchang Ship Building Industry Group Co., Ltd.,Wuhan 430060, China; 3. Jiangsu Huaneng Cable Co., Ltd., Gaoyou 225613, China)

Through heat treatment tests combined with thermodynamic and kinetic calculations, the influence of Al on the phase transformation of high carbon steels during continuous slow-cooling process were investigated. The results show that the microstructure of Al-free sample consists of martensite and retained austentie, while pearlite with volumn fraction of 5.1% appears in steel with 1.37%Al addition, and the macro-hardness is reduced by about 0.8 HRC. According to the analysis, the addition of Al enables the shift of eutectoid point toward high carbon content and high temperature direction, which improves the critical cooling rate and the initial temperature of pearlite transformation, and the formation of pearlite is therefore accelerated.

high carbon steel; Al; pearlite; continuous cooling; phase transformation; microstructure; macro-hardness

2017-04-25

湖北省自然科学基金计划创新群体项目(2016CFA004).

辛 蕊(1991-)，女，武汉科技大学硕士生. E-mail: 529057243@qq.com

吴开明(1966-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师. E-mail: wukaiming@wust.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.04.001

TG142

A

1674-3644(2017)04-0241-04