高镁对回火态钢组织和性能的影响.pdf

第 卷第 期材 料 与 冶 金 学 报 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）作者简介：徐光（），男，博士，工程师，：年 月 ：高镁对回火态钢组织和性能的影响徐 光，罗 钢，李 阳（华菱涟源钢铁有限公司 技术中心，湖南 娄底；东北大学 冶金学院，沈阳）摘 要：利用加压感应炉将钢中镁质量分数最高提升至 ，研究了高镁（钢中镁的质量分数大于）对回火态 钢组织和性能的影响 研究结果表明：镁对 钢回火态组织影响较小，随着镁质量分数的增加，钢的抗拉强度、屈服强度均先增大后略有减小；适量的镁可以提高钢的强度，但当镁质量分数过高时，钢的强度和性能容易恶化；随着镁质量分数的增加，钢的塑性降低，镁质量分数增加至 时钢的塑性下降幅度较小，但当镁质量分数进一步增加时，钢的塑性下降幅度显著增大；随着镁质量分数的增加，钢的冲击韧性降低；当镁的质量分数增至较高时，容易在晶界处偏聚，冲击时，钢沿晶断裂的可能性增大 镁在钢中的质量分数应控制在合适范围内，以小于 为佳 适量的镁对钢的强度提升有积极作用，但可能对钢的塑性和韧性造成一定危害关键词：高镁；钢；热处理；力学性能中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：（），：；年，国外学者对镁作为炼钢精炼剂的可能性进行了研究，结果表明：镁处理后钢中的氧、硫质量分数显著降低；同时，簇状的 夹杂转变为尖晶石型（）夹杂，该类夹杂物尺寸细小且呈弥散分布进入二十世纪八九十年代，日本和苏联学者测定并研究了 平衡的热力学数据，而中国的学者从 世纪初才开始对镁在钢中的应用进行相关的研究镁的蒸发温度很低，在炼钢温度下很难加入钢液中因此，镁在钢中冶金作用的研究主要是微量镁（钢中镁的质量分数小于 ）的研究王亮亮和王承针对微量镁在钢中冶金作用进行了较为系统的研究王亮亮的研究结果表明，镁处理后，钢中夹杂物、碳化物尺寸明显减小，钢的退火态组织中珠光体增多，钢的塑性、韧性增强，而强度、硬度降低王承的研究结果表明，镁在钢中具有很强的脱氧、脱硫能力，镁处理后，钢中细小、易形核且形核率很高的含镁夹杂物可作为随后析出的夹杂物的形核核心，使钢中获得更多细小的夹杂物，最终减小钢中夹杂物的尺寸虽然镁很难加入钢液中，但镁在钢中的溶解度较高计算结果表明，常压条件下，镁在钢中的溶解度可达 ，本文作者利用加压感应炉，将钢中镁质量分数最高提升至，并 对 高 镁（钢 中 镁 的 质 量 分 数 大 于）在钢中的冶金作用展开研究研究结果表明，高镁具有良好的净化钢液能力此外，与微量镁相比，高镁还可更大程度地球化碳化物综上所述，不论是微量镁还是高镁，都给钢的洁净度、组织带来较大改变目前，有关高镁对钢力学性能影响的研究文献较少钢的应用状态通常为回火态，本文中对高镁钢的回火态组织开展观察实验，同时研究其拉伸性能和冲击性能，找出高镁对回火态钢组织和性能的影响规律探究高镁对回火态钢组织和性能的影响，对进一步开发镁在钢中的冶金作用，实现镁在钢冶炼过程中的工业应用具有重要意义 实验材料准备选取 钢作为研究载体，使用加压感应炉冶炼 种不同镁质量分数的 钢，其化学成分检测结果和日标如表 所列，镁质量分数由 逐步提高至 将不同镁质量分数的钢锭锻造成棒材，空冷至室温备用，锻造温度为 将不同镁质量分数的钢锭进行轧制，轧制工艺为 下保温 经过 道次轧制，将钢锭制成厚度约为 的薄板，然后空冷至室温备用表 钢的化学成分（质量分数）（）钢样 日标 实 验 夹杂物统计实验对铸锭相同部位取样，依次用，砂纸对样品进行磨光使用 抛光膏和抛光布对样品进行抛光使用金相显微镜对抛光后的样品进行观察、分析，统计夹杂物数量，分析夹杂物形貌 组织观察实验将 钢热轧板放入热处理炉进行完全退火淬火回火处理，热处理工艺如图 所示回火结束后，从 钢分别切下 的方块 依次用，砂纸对样品进行磨光使用 抛光膏和抛光布对样品进行抛光用体积分数 的硝酸酒精对抛光后的样品进行腐蚀用扫描电镜对样品进行观察、分析OtT1 053 K1 103 K693 K8 min8 min20 min3 K/min3 K/min3 K/min空冷至室温空冷至室温油冷至室温完全退火阶段淬火阶段回火阶段图 完全退火淬火回火工艺 拉伸实验从热轧薄板中取样进行完全退火淬火回火处理，工艺见图 对完全退火后的轧板进行切割，样式、尺寸如图 所示之后进行拉伸实验，拉伸速度为 第 期 徐 光等：高镁对回火态钢组织和性能的影响10 mm100 mmR=6 mm6 mm25 mm32 mm30 mm图 拉伸样尺寸 冲击实验对方型棒材分别进行完全退火淬火回火处理，工艺见图由于冲击样尺寸较大，完全退火阶段的保温时间为 ，淬火阶段的保温时间为 ，回火阶段的保温时间为 将热处理后的样品切割为 尺寸的冲击样，开 型口进行冲击实验 实验结果与讨论 夹杂物统计实验结果与讨论由表 可知，随着镁质量分数的增加，钢中夹杂物数量逐渐增多，尺寸逐渐减小但当镁质量分数增加到一定值后，钢中夹杂物数量剧增，尺寸也大幅增加表 夹杂物金相统计结果 钢样夹杂物直径分布（，），），）夹杂物总数 个夹杂物总面积平均面积当量圆直径 夹杂物面积占比 组织观察实验结果与讨论经过完全退火淬火回火后的 钢组织形貌如图 所示由图 可知，钢的组织并未产生明显变化，均为回火屈氏体一个细微的差别是，加镁钢的回火屈氏体比未加镁钢的回火屈氏体稍细镁质量分数最高的 钢表面出现了几个较为明显的孔洞，可能是钢中镁过量偏聚、析出导致的12#1#2#4#3#5 m5 m5 m5 m图 完全退火淬火回火后钢的组织形貌 材 料 与 冶 金 学 报 第 卷 拉伸实验结果与讨论表 为完全退火淬火回火处理后 钢的力学性能由表 可知，经过完全退火淬火回火处理后，加镁钢的抗拉强度大于未加镁钢的抗拉强度，但其断后伸长率及收缩率不断降低，尤其是 和 钢的断面收缩率显著下降加镁钢强度提升的原因有两个：一是镁使钢的晶粒细化，晶粒细化的遗传性使回火态加镁钢的晶粒依然细小，而晶粒越细小，钢的强度越大；二是加镁钢中生成的 和 等含镁夹杂物在钢中可能起到一定的弥散强化作用，从而提高了钢的抗拉强度图 为完全退火淬火回火后 钢的断口形貌图由图 可知：和 钢断裂方式为韧性断裂和解理断裂，且韧性断裂为主要断裂方式；和 钢的断裂方式为韧性断裂和沿晶断裂，且沿晶断裂为主要断裂方式由 钢的断裂方式可以看出，镁加剧了钢的晶界脆性，使钢在拉伸过程中容易在晶界处断裂表 完全退火淬火回火后钢的力学性能 钢样 抗拉强度屈服强度断后伸长率断面收缩率冲击功 1#2#3#4#20 m20 m20 m20 m图 完全退火淬火回火后拉伸样的断口形貌 图 为完全退火淬火回火后 钢拉伸断口处的典型夹杂物形貌图未加镁钢中的夹杂物多为，而加镁钢中的夹杂物主要为，及它们的混合物，且这些夹杂物多分布于晶界处，如图 所示加镁钢的晶界脆性极可能是这些夹杂物造成的夹杂物数量和尺寸增加与纯镁的偏聚、析出相关和 钢的夹杂物中镁质量分数极高，说明夹杂物中混杂了许多纯镁这一第 期 徐 光等：高镁对回火态钢组织和性能的影响现象表明单纯的 和 等夹杂物未必能造成完全退火淬火回火后钢的沿晶断裂，如 钢中有许多 和 存在，但其断裂方式依然为韧性断裂仅当钢中弥散的纯镁在晶界处和夹杂物周围偏聚、析出时，才会造成晶界脆性，如图 中和 钢的夹杂物形貌图所示1#2#3#4#5 m5 m5 m5 mMnSMgO,MgC2Mg,MgO,MgC2Mg,MgO,MgC2图 完全退火淬火回火后拉伸样断口处的夹杂物 冲击实验结果与讨论不同镁质量分数的回火态钢的冲击功如表 所列由表 可知，随着钢中镁质量分数的增加，冲击功逐渐下降对不同镁质量分数的回火态钢进行断口检测，其冲击断口形貌如图 所示由图 可知，经完全退火淬火回火处理后，和 钢的断裂方式主要为解理断裂，而 和 钢的断裂方式主要为沿晶断裂这说明高镁加剧了冲击过程中回火态钢的沿晶断裂对不同镁质量分数的回火态钢的冲击断口典型夹杂物进行检测，结果如图 所示由图 可知，回火态钢冲击断口典型夹杂物由未加镁钢中的 转变为加镁钢中的，检测过程中发现，随着钢中镁质量分数的增加，钢中纯镁偏聚、析出程度增强这些偏聚、析出的纯镁主要分布于晶界处或夹杂物周围，显然这会加剧冲击过程中钢的沿晶断裂 关于镁在钢中偏聚、析出的计算与分析无论是铸态、退火态还是回火态，观察钢中的夹杂物后可以发现，高镁钢夹杂物中总是带有一定量的纯镁，且这些含有纯镁的夹杂物多分布于晶界处，这说明随着钢中镁质量分数的增加，钢中镁的偏聚程度逐渐增强假设偏聚元素之间的相互作用忽略不计且晶体缺陷区域是无规则的理想固溶体，以统计热力学为基础，导出了经典二元合金平衡偏聚热力学二元合金平衡偏聚热力学认为溶质元素（晶内物质的量分数远低于）平衡偏聚于缺陷处的热力学公式为 （）式中，为缺陷处溶质元素浓度，为 溶质元素的偏聚能，为摩尔气体常数，为温度，为富集系数由 和 的理论可知：（）式中，为材料泊松比，为基体切变模量，为原子体积差，为阿伏伽德罗常数材 料 与 冶 金 学 报 第 卷1#2#3#4#50 m50 m50 m50 m图 完全退火淬火回火后钢的冲击断口形貌 2345 m5 m5 m5 mMnSMgSMgOMgOMgMg图 完全退火淬火回火后钢的冲击断口处典型夹杂物 第 期 徐 光等：高镁对回火态钢组织和性能的影响 假设 钢中溶质元素对 的影响相互抵消，且其泊松比为 （按低合金钢选取），镁原子和基体的参数如表 所列将表 中镁原子和基体的参数代入式（）中，其中 取最大值将 代入式（）中得到 与 的关系式如下：（），（）（），（）由式（）和式（）可分别计算出钢液刚凝固时（）、完全退火温度下（）、回火温度下（）镁的平衡偏聚常数分别为 ，镁的平衡偏聚常数越大，说明镁在空位和缺陷处的偏聚程度越高夹杂物周围、晶界处是较为典型的空位和缺陷聚集处，因此钢中多余的镁容易在夹杂物周围和晶界处偏聚、析出当钢中镁的质量分数特别高时，回火温度下晶界处容易聚集大量的镁造成钢的晶界脆性 除了偏聚以外，镁可在达到溶解度后析出钢中夹杂物数量、尺寸的统计结果也说明了这一点：随着镁质量分数的增加，钢中夹杂物数量逐渐增表 镁原子和基体参数 原子配位数为 时的原子直径原子体积原子体积差基体切变模量适用温度范围 ，），）多，当镁质量分数达到一定值后，钢中夹杂物数量剧增，尺寸也大幅增加，这很可能是纯镁析出造成的析出的镁很可能聚集在晶界处，对钢的塑性、韧性产生不利影响 结 论（）随着镁质量分数的增加，钢中夹杂物数量逐渐增多，尺寸逐渐减小但当镁的质量分数增至一定值后，钢中夹杂物数量剧增，尺寸也大幅增加（）镁对 钢回火态组织影响较小，不同镁质量分数下钢的组织均为回火屈氏体钢中的镁过量时，可能出现孔洞，这些孔洞易造成钢中的组织缺陷，钢的性能恶化（）随着镁质量分数的增加，钢的抗拉强度、屈服强度均先增大后略有减小适量镁可以提高钢的强度，但镁质量分数过高时，钢的强度和性能反而会恶化 钢的塑性随镁质量分数的增加而降低，镁质量分数增加至 时钢的塑性下降幅度较小，但当镁质量分数进一步增加时，钢的塑性下降幅度显著增大（）随着镁质量分数的增加，钢的冲击韧性降低当镁的质量分数增至较高时，容易在晶界处偏聚，冲击时，钢沿晶断裂的可能性增大（）回火温度下，镁在钢中的平衡偏聚常数较大钢中的镁过量时，容易在夹杂物周围和晶界处偏聚、析出，造成晶界脆性 参考文献 李阳，姜周华，李花兵，等 炼钢过程中的夹杂物 北京：科学出版社，：伊東裕恭，日野光兀，萬谷志郎 溶鉄 脱酸平衡鉄鋼，（）：，：解中原 单喷颗粒镁铁水脱硫成套设备的开发 全国铁水预处理技术研讨会文集 大连：中国金属学会，：王亮亮 镁对 热作模具钢夹杂物及性能影响的研究 北京：北京科技大学，王承 稀土镧和镁对典型特殊钢洁净度和性能的影响沈阳：东北大学，王林珠，席作冰，李长荣 镁处理高碳硬线钢中夹杂物钢铁，（）：杨健，蔡文菁 镁处理对钢中夹杂物以及 组织和性能的影响 钢铁，（）：孙立根，雷鸣，张鑫，等 镁处理对船体钢组织细化作用的高温原位分析 钢铁，（）：焦魁明 镁处理对 铝镇静钢中夹杂物的影响 钢铁，（）：张庆松，闵义，许海生，等 硅镇静钢镁处理后夹杂物的生成及演变行为 钢铁，（）：陈斌，姜敏，王灿国，等 在超纯净钢中应用的理论探索 钢铁，（）：徐光 钙和镁在钢液中的冶金行为及对钢组织性能的影响 沈阳：东北大学，材 料 与 冶 金 学 报 第 卷 ，（）：，（）：黄稀祜钢铁冶金原理：第 版 北京：冶金工业出版社，：，（）：，（）：材料与冶金学报订阅办法材料与冶金学报（）创刊于 年，由东北大学主办，教育部主管。本刊是一本集中报道材料、冶金学科的专业学术性刊物，为材料、冶金及相关行业的科研、工程和教学人员服务。每期设有冶金、材料制备、材料、能源与环境等栏目。主要学术论文包括理论基础、工艺技术（侧重工艺上的原则，且带有普遍意义）。冶金栏目下的论文以钢铁冶金为主；材料栏目下的论文以金属材料为主；能源与环境栏目下的论文，刊登与冶金相关的环境保护、资源利用方面的内容，比如：废渣的利用，绿色冶金等。本刊入选北京大学 年版、年版、年版、年版中文核心期刊要目总览。年入选中国科技核心期刊（中国科学技术信息研究所），跻身核心期刊行列。本刊曾先后被俄罗斯的文摘杂志、美国的剑桥科学文摘、波兰的哥白尼索引等多家检索系统收录；同时，被“中国知网”“万方数据库”“维普网”“超星网”全文收录。材料与冶金学报为双月刊，页，中文版，国内外公开发行。订价 元（年份）（含邮费），订阅办法有如下两种方式：直接与本刊编辑部联系。邮编：，地址：沈阳市和平区东北大学 信箱材料与冶金学报编辑部。编辑部联系电话：；：。本刊参加全国非邮发报刊联合征订，可与联合征订服务部联系。联合征订服务部办公地址：天津市大寺泉集北里别墅 号；通信地址：天津市卫津南路李七庄邮局 信箱，邮编：。材料与冶金学报联订代号：；联系电话：，；：；网址：。材料与冶金学报 编辑部第 期 徐 光等：高镁对回火态钢组织和性能的影响