ABSTRACT

In order to produce ultrafine-grained steel, 45 steel was quenched and warm-rolled. The total reduction was 50%. The microstructural evolution during the process was studied by using an optical microscope and a transmission electron microscopy. The properties were investigated by using tensile tests. The starting microstructure was lath martensite with a small amount of flake martensite. The microstructure of the specimen compressed at 600˚C - 700˚C was nano-carbides + equiaxed ultrafine ferrite grains and a good combination of strength and ductility was obtained. The tensile strength and total elongation were 646 - 861 MPa and 21.51% - 9.1%, respectively.

Keywords:Ultrafine Grain, Steel, Microstructure, Mechanical Property

超细晶45钢的制备及其组织与力学性能的研究

赵  新

郑州航空工业管理学院六系，郑州

Email: zhaoxin@zzia.edu.cn

收稿日期：2014年6月26日；修回日期：2014年7月7日；录用日期：2014年7月14日

摘  要

为了制备超细晶粒钢，将45钢淬火后进行了温轧。总变形量为50%。采用光学显微镜和透射电子显微镜研究了这一过程中的微观组织演变。原始组织是板条马氏体组织 + 少量的片状马氏体。试样在600℃~ 700℃变形后的微观结构是纳米碳化物 + 等轴超细晶铁素体，具有良好的综合力学性能，强度和塑性分别达到了646~861 MPa和21.5%~19.1%。

关键词

超细晶，钢，微观组织，力学性能

1. 引言

为了生产超细/纳米晶材料，前苏联学者R.Z. Valiev提出了剧烈塑性变形(SPD)技术，并给出了SPD应满足的主要条件：相对低的变形温度、大塑性变形量和变形体内承受高压。在此原则指导下，已开发了多种剧烈塑性变形工艺，如高压扭转，等通道角挤压，多向锻造和多重累积轧焊[1] -[3] 。这些工艺均具有强烈的细化晶粒的能力，甚至可以将晶体加工成非晶体。然而，SPD工艺通常是比较复杂的，所以它们很难被应用到实际生产中。最近，本作者发明一种简单的不需要SPD的方法——冷轧板条马氏体法生产纳米结构钢[4] 。由于在室温下轧制板条马氏体变形抗力较大，冷轧有一定难度，因此考虑改进冷变形工艺为温变形。本文研究了新工艺制备的超细晶钢的微观组织和性能。

2. 材料与方法

45钢的化学成分(质量百分数)：0.45%C，0.24%Si，0.60%Mn，0.009%P和0.018%S，其余为Fe。在温变形之前，试样在840℃的盐浴炉中保温30分钟，然后用盐水冷却到室温。一些淬火试样沿轴向剖切，利用光学显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)观察组织特征。其余试样的轧制变形温度是600℃，650℃和700℃。变形速率是10⁻² s⁻¹。高度方向上压缩50%。纵向切割被压缩的试样，然后在H800显微镜上观察组织，操作电压为200千伏。对于每一个试样，用截线法至少测量TEM暗场图像中250个晶粒。根据文献[5] 设计的拉伸试样如图1所示，拉伸实验在在Gleeble 3500热模拟试验机上进行，变形速率为1 × 10⁻² s⁻¹。

3. 结果与讨论

图2显示了淬火态试样的微观组织。如图2(a)所示，在光学金相照片中以板条马氏体为主，同时也可观察到少量的片状马氏体。图2(b)TEM像表明宽度为300纳米的马氏体板条中含有大密度的位错。

图3显示了在600℃下轧制试样的TEM微观组织。很明显这种显微结构不同于原始的结构。平均直径为38纳米的纳米碳化物均匀地析出在图3中。在大部分区域形成了回火马氏体如图3(a)所示。有时也可观察到平均直径为380纳米的等轴超细铁素体晶粒(图3(b))。清晰的晶界包围着超细晶粒。

图4显示了在650℃下轧制试样的TEM微观组织。纳米碳化物的平均粒径长大到60纳米。在图4(a)中等轴超细铁素体晶粒的平均直径是900纳米。但是，晶粒的尺寸不均等。在图4(b)中可以观察直径是2.3微米的晶粒。

如在图1中所示，本加工过程开始时微观组织主要是板条马氏体。板条马氏体是一种被若干大角度晶界分开的细粒度结构。它有三个层次结构的形态：1) 板条状，单晶马氏体，包括高密度的晶格缺陷；2) 块状，具有相同晶体取向的聚集板条(变体)；3) 束状，具有相同的惯面的聚集块。以往的研究表明，83%的团块边界和马氏体束边界是大角度边界。因此，在奥氏体向马氏体的相变期间，奥氏体晶粒分为几个束，一束细分成若干块，这个过程可视作为一个快速晶粒细化的过程。

在温轧变形期间，塑性变形诱导马氏体之间小角度晶界成为大角度晶界。因此，轧制变形50%后，

图1. 拉伸试样尺寸图

图2. 淬火态试样微观组织

图3. 600℃轧制试样的TEM微观组织

绝大多数马氏体边界变成了大角度晶界如图2所示。如果变形温度足够高，大角度晶界将会移动，发生动态再结晶如图3和图4所示。但是，轧制变形过程时间很短，动态再结晶来不及完成。因此，动态再结晶晶核来不及长大，保留下来形成超细晶组织。

图5是超细晶试样的拉伸曲线。与我们前期采用板条马氏体冷轧法制备的超细晶钢[6] 相比，图5中的拉伸曲线具有明显的屈服平台和加工硬化现象。说明采用温轧工艺制备的超细晶粒钢具有较好的塑性。拉伸实验的具体结果列于表1。从表中可以看出随着轧制温度上升，制备的超细晶试样的强度下降，而塑性增加。这是由于随着变形温度升高，制备试样的晶粒尺寸增大(如图3和图4所示)而引起的。

图4. 650℃轧制试样的TEM微观组织

图5. 超细晶试样的拉伸曲线

4. 结论

1) 在600℃~700℃制备试样的微观组织是等轴超细铁素体晶粒 + 纳米碳化物，这两相的尺寸随变形温度的提高而增大。晶粒细化的机制是不完全的动态再结晶。

2) 在600℃制备的超细晶45钢具有最佳的综合力学性能，抗拉强度和伸长率分别为861.2 MPa和19.1%。

基金项目

国家自然科学基金钢铁联合基金资助项目(50271060, 50371074)。

参考文献 (References)