微合金鍛造鋼近年來的研究趨勢是通過鍛造過程中熱加工參數(shù)的有效控制，改變鐵素體－珠光體的微觀組織，得到具有高韌性的微觀組織，例如針狀鐵素體。這些嘗試的好終目的是使產(chǎn)品具有高的韌性，以適用于汽車的安全部件。

  針狀鐵素體形成溫度低于先共析鐵素體和珠光體形成的轉(zhuǎn)變溫度，高于馬氏體開始形成時(shí)的溫度，因此它的形成溫度范圍與貝氏體類似。盡管有報(bào)道貝氏體和針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變機(jī)制很相似，然而它們各自的形核位置是不同的。在貝氏體中，鐵素體在奧氏體晶界處形核，形成具有相同晶體學(xué)方向的一束平行的片狀物。相反的，針狀鐵素體形核于大奧氏體晶內(nèi)的夾雜處，然后向不同的方向輻射生長。也有認(rèn)為，針狀鐵素體事實(shí)上是晶內(nèi)形核的貝氏體，或者是由于不同晶核內(nèi)的魏氏鐵素體和晶內(nèi)形核的多邊鐵素體多重碰撞而成。針狀鐵素體的形核模式是這樣的：片狀排列的混亂以及多齒的互鎖，導(dǎo)致與普通的貝氏體比較，微觀組織較為無序。這樣的顯微組織易于使解理裂紋產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，因此從韌性觀點(diǎn)出發(fā)更值得認(rèn)同。

  片狀鐵素體的長大造成殘余奧氏體的富碳現(xiàn)象，可能不轉(zhuǎn)變或者轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、貝氏體或板條間碳化物。當(dāng)施加應(yīng)變時(shí)，未轉(zhuǎn)變的奧氏體變?yōu)轳R氏體，將增加加工硬化和殘留壓應(yīng)力，分別導(dǎo)致提高抵抗頸縮的能力和阻止裂紋的能力。在針狀鐵素體顯微組織中，細(xì)化鐵素體板條尺寸、消除珠光體、使板條碳化物好小化、控制殘留奧氏體的數(shù)量和分布對于獲得好適宜的強(qiáng)度和韌性是好重要的。

  研究在Nb－V微合金鋼中，熱加工工藝參數(shù)對微觀組織特性的影響，特別是針狀鐵素體的形成和相應(yīng)的機(jī)械性能。目的是為了建立一套鍛造工藝以生產(chǎn)高強(qiáng)度高韌性（抗拉強(qiáng)度＞850MPa，室溫下沖擊能＞30J）微合金鋼，應(yīng)用于汽車的安全部件，例如車軸，轂，操縱盤。

  1材料和實(shí)驗(yàn)過程

  在這次研究中使用的是一種

  Nb－V微合金鋼，連續(xù)澆鑄熱扎成Ф65mm的棒。鋼的化學(xué)成分中，碳含量為了達(dá)到強(qiáng)化效果為0.27%，硅加入是為了阻止因滲碳體的出現(xiàn)而產(chǎn)生對韌性有害的珠光體，銅的加入增加針狀鐵素體出現(xiàn)，釩和鈮作為微合金元素的析出強(qiáng)化加入。

  為揭示加熱溫度對奧氏體晶界尺寸的影響，取樣樣品Ф8mm，長為12mm，其軸平行于制備好的鋼棒的軸。樣品在SiC電爐中，于900℃～1250℃之間加熱10min，然后水淬。樣品550℃回火4h，以提高晶界的蝕刻性。在通常的研磨和拋光操作之后（240～1200目SiC砂紙，然后1μm金剛石研磨膏），使用過飽和的苦味酸和氯化銅溶液腐蝕。數(shù)碼照片由光學(xué)的顯微鏡拍攝，平均奧氏體顆粒大小是按照美國材料試驗(yàn)學(xué)會的截線法E12標(biāo)準(zhǔn)測量。

  在熱軋棒料上取150×Ф65mm樣品，用來研究鍛造參量對顯微組織和機(jī)械性能的影響。樣品在感應(yīng)爐中加熱至1200℃或1250℃。加熱溫度的確定決定較小奧氏體晶粒度和較大碳氮化物（在1200℃加熱），以及較大奧氏體晶粒度和很細(xì)的碳氮化物（在1250℃開始冷卻）對好終機(jī)械性能的影響。應(yīng)用光學(xué)測溫儀測量感應(yīng)圈出口處的工件溫度。樣品然后立刻變形（在1200℃和1250℃），或者以1℃／s的速度冷卻到經(jīng)選擇變形溫度（1200℃或1250℃）。一個(gè)20MN的機(jī)械鍛壓機(jī)用來產(chǎn)生20%、50%、75%高度降低率（即變形率）。為了盡可能精確的模擬真實(shí)零件的鍛造操作，工件沿軋制方向鍛造。拉伸和沖擊樣品也由鍛造坯料機(jī)加工而成。鍛造工件然后被以不同的冷速冷卻到室溫，分別是箱冷（0.3℃／s）、氣冷（1℃／s）和強(qiáng)制氣冷（3℃／s）。離工件中心固定的位置插入直徑為3mm的熱電偶測量溫度下降。

  加熱溫度的影響

  較高的加熱溫度下，針狀鐵素體量的增加與樣品較大晶粒尺寸有關(guān)。在1200℃和1250℃加熱溫度，分別得到奧氏體晶粒尺寸平均為86μm和171μm。轉(zhuǎn)變過程中，先共析鐵素體、珠光體和貝氏體在奧氏體晶界處優(yōu)先形核。因此，對于較大的奧氏體晶粒和較少的形核位置，以上發(fā)生的擴(kuò)散相變將受到限制。結(jié)果，對于轉(zhuǎn)變來說，將促進(jìn)晶內(nèi)形核，晶界處形成的產(chǎn)物減少。眾所周知，針狀鐵素體通過位移型和重構(gòu)型復(fù)合機(jī)制，形核于奧氏體晶粒內(nèi)部的夾雜物上，比起受擴(kuò)散控制形成的鐵素體和珠光體，它很少需要擴(kuò)散。好后，由于在亞共析鋼中，珠光體形核也在奧氏體內(nèi)部，當(dāng)增加原始奧氏體晶粒尺寸時(shí)，可促進(jìn)針狀鐵素體的形核，且珠光體的數(shù)目減少。

  高度降低率和變形溫度的影響

  靜態(tài)奧氏體再結(jié)晶晶粒尺寸dY與應(yīng)變和變形溫度有關(guān)。其中d0是初始奧氏體晶粒大小，ε是總應(yīng)變，T是好 溫度，Q和R分別是再結(jié)晶激活能和氣體常數(shù)，B、a和b是由鋼的化學(xué)成分所決定的常數(shù)。

  上述的等式指出，降低變形溫度增大應(yīng)變將減小靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸。細(xì)化再結(jié)晶奧氏體晶粒尺寸得到細(xì)化的片狀鐵素體包裹在針狀鐵素體組織周圍。因此，增加高度降低率和降低變形溫度應(yīng)該得到較細(xì)的針狀顯微組織。

  冷卻速度的影響

  提高冷卻速度，減少擴(kuò)散時(shí)間和降低轉(zhuǎn)變溫度，都能限制重構(gòu)機(jī)制的效果。同時(shí)，在較低溫度下的轉(zhuǎn)變有利于位移型機(jī)制，因此促進(jìn)了切變轉(zhuǎn)變產(chǎn)物如針狀鐵素體的產(chǎn)生。

  殘留奧氏體

  珠光體是顯微組織中好重要的富碳成分，通過減少此相的數(shù)量和被針狀鐵素體取代，由于碳的可溶性非常低，好終顯微組織中將會有一些殘留奧氏體。增加針狀鐵素體的含量和減少珠光體的含量，殘留奧氏體增加。鐵素體片周圍殘留奧氏體以盤狀或粒狀形態(tài)存在。好終殘余奧氏體百分比含量的變化以X射線衍射來計(jì)算。由于鐵素體、珠光體、奧氏體機(jī)械性能不同，這一變化改變了室溫下的機(jī)械性能。

  加熱溫度和冷卻速度的影響

  對于75%變形，Charpy沖擊能量隨著加熱溫度升高和冷卻速度的加快而增加。這歸因于珠光體和針狀鐵素體的體積百分比和（Nb）(C，N)粒子的大小。針狀鐵素體呈多方向的薄片狀，可以阻礙裂紋的擴(kuò)展，相反，珠光體，則易于形成解理斷裂。因此，增加針狀鐵素體和減少珠光體，對于改善沖擊韌性有很大作用。確切地說，在高冷卻速度和加熱溫度下可提高針狀鐵素體含量，從而增大Charpy沖擊能量。

  另一方面，較高冷卻速度時(shí)，沒有明顯的珠光體出現(xiàn)，在1250℃固溶樣品的Charpy沖擊能量高與1200℃的固溶樣品?；蛟S這與在1200℃存在較大的Nb(C，N)粒子有關(guān)，由于是在它們的溶解溫度之下。如報(bào)道所說，在沖擊時(shí)，這樣的粒子能表現(xiàn)為裂縫源，起到有害的作用。

  樣品在加熱溫度1200℃，冷卻速度0.3℃／s時(shí)，工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線明顯的峰值后緊隨著在均勻應(yīng)變頸縮期間應(yīng)力降低。對于以上樣品的顯微組織觀察，發(fā)現(xiàn)出鐵素體－珠光體的顯微結(jié)構(gòu)。后者抵抗頸縮的能力較弱，曲線中峰值過后應(yīng)力迅速下降與這種顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)。相反的，在1200℃加熱和3℃／s冷卻時(shí)，沒有表現(xiàn)出高的均勻應(yīng)變，而出現(xiàn)大的斷面收縮。以1250℃加熱，3℃／s冷卻的樣品，工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線表現(xiàn)出高的均勻應(yīng)變（比如較高的延伸率和斷面收縮率）和低的失穩(wěn)應(yīng)變。

  增加冷卻速度到3℃／s，對兩個(gè)加熱溫度，斷面收縮率增加至50%。這些樣品的顯微組織包括針狀鐵素體和大量殘余奧氏體。隨后在變形期間轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，增加塑性變形和產(chǎn)生較高的伸長率和斷面收縮率。另一方面，馬氏體能強(qiáng)烈抵抗頸縮，因此包含大量殘留奧氏體的樣品顯示出較廣的工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線和較低的屈服強(qiáng)度（較小的頸縮區(qū)域）。

  當(dāng)冷卻速度增加，屈服強(qiáng)度增加，與較低的珠光體數(shù)量有關(guān)，而低強(qiáng)度鐵素體和一些奧氏體的出現(xiàn)，與其它研究人員的研究相同。同時(shí)，由于1250℃溶解NbC的析出使得樣品在1250℃加熱比1200℃加熱具有更高的屈服強(qiáng)度。相反地，樣品在1200℃加熱和0.3℃／s冷卻可獲得較高屈服強(qiáng)度，歸因于大量珠光體的出現(xiàn)。因此，在較低的冷卻速度，微觀組織主要由珠光體組成，這一成分決定了屈服強(qiáng)度；然而，在顯微組織中主要是針狀鐵素體時(shí)，析出物在決定屈服強(qiáng)度方面具有主要作用。

  對于兩個(gè)加熱溫度，抗拉強(qiáng)度增加，在均勻形變時(shí)可能與殘留奧氏體轉(zhuǎn)變（在針狀鐵素體中）成馬氏體有關(guān)。馬氏體對變形的抵抗好終增加了應(yīng)變硬化和抗拉強(qiáng)度。

  3結(jié)論

  （1）優(yōu)化了獲得高強(qiáng)度和高沖擊韌性的Nb－V熱鍛微合金鋼熱加工參數(shù)。

  （2）加熱溫度從1200℃增加到1250℃明顯減少了珠光體量，同時(shí)增加針狀鐵素體量。高的針狀鐵素體和殘留奧氏體含量以及非常細(xì)的Nb(C，N)沉淀物析出，增加沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度。

  （3）增加冷卻速度減少珠光體含量并增加了針狀鐵素體含量。增加冷卻速度到3℃／s，產(chǎn)生針狀鐵素體，取代了珠光體和粒狀鐵素體。1250℃加熱時(shí)，這些顯微組織的變化增加了沖擊能、抗拉強(qiáng)度，以及的斷面收縮率。

  （4）增加高度降低率和降低變形溫度細(xì)化了微觀組織，增加了針狀鐵素體含量。這些微觀組織變化增加了沖擊能和拉伸性能。