低碳钢中带状组织的成因、危害和消除
低碳合金钢中带状组织的形成机理和消减方法
低碳合金钢中带状组织的形成机理和消减方法
朱伟华;王玲玲
【期刊名称】《莱钢科技》
【年(卷),期】2007(000)001
【摘要】介绍了低碳合金钢中带状组织形成机理及三种主要的消除或减轻的方法.【总页数】2页(P14,22)
【作者】朱伟华;王玲玲
【作者单位】莱芜钢铁集团有限公司品质保证部;莱芜钢铁集团有限公司品质保证部
【正文语种】中文
【中图分类】TF7
【相关文献】
1.热轧SNCM 220低合金钢板中带状组织缺陷的消除方法 [J], 陆玉涛;杨峰
2.带状组织对低碳微合金钢性能的影响及控制 [J], 刘富军;刘年富;廖卫团
3.消除低碳多元合金钢板材带状组织的试验研究 [J], 王保同;连文;刘东风
4.低碳合金钢中带状组织的成因、危害和消除 [J], 刘云旭
5.硅在低碳合金钢中作用的研究(Ⅱ)——硅对低碳贝氏体钢组织和性能的影响 [J], 张明星;王军;康沫狂
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低碳钢零件中带状组织的成因及其危害、避免与消除工艺设计
低碳钢零件中带状组织的成因及其危害、避免与消除工艺设计摘要：分析了低碳钢零件在热加工过程中形成带状组织的主要原因，讨论了带状组织的存在对低碳钢零件性能的影响，推导通过控制热加工冷却速度消除带状组织的冷却速度公式并提出了通过控制热加工冷却速度以及高温扩散退火（+ 1-3次正火）来避免和消除低碳钢零件中带状组织的工艺控制措施。
关键字：低碳钢带状组织冷却速度扩散退火1.引言低碳钢零件拥有重要机械用途，在实际应用过程要求具有较高的力学性能。
然而在实际生产中，我们经常发现低碳钢零件在热加工后的金相中存在带状组织，严重地影响了零件的各向同性性能和其最终的热处理质量。
为此，分析低碳钢零件中带状组织成因和采取消除措施是十分必要。
2.低碳钢带状组织形成的原因2.1.状组织形成的原因低碳钢材料在冶炼浇注后绝大部分要经过压力加工方可成为型材。
但是，加工后的低碳钢零件容易得到沿着变形方向珠光体和铁素体呈带状分布的组织，即形成带状组织。
低碳钢零件形成带状组织的原因各不相同，归纳起来大致有2种原因：a．由成分偏析引起的带状组织，即当低碳钢零件中含有一定数量的夹杂物，压延时，夹杂物沿压延方向程流线分布。
当低碳钢零件冷至Ar3以下时，这些杂质就成为先共析铁素体成核的核心，使先共析铁素体先在夹杂物周围生成，形态呈带状分布，随后剩余奥氏体转变成珠光体，使先共析铁素体和珠光体呈带状分布，形成带状组织。
b．由热加工温度不当引起的带状组织，即低碳钢零件热加工停锻温度于二相区时（Ar1和Ar3之间），铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体被割成带状，当冷却到Ar1时，带状奥氏体转化为带状珠光体。
3.带状组织对低碳钢零件力学性能的影响3.1.带状组织对低碳钢零件的力学性能的影响，参见表1中的关于带状组织的实验数据。
试验表明：带状组织使低碳钢零件在垂直于轧制方向(即垂直于带状组织方向)的伸长率δ5，断面收缩率ψ及冲击韧度αk降低。
热处理组织与缺陷形态观察
各向异性，沿带状组织的方向明显优于其垂直方向。降低钢的塑性、
冲击韧性和断面收缩率，造成冷弯不合、冲压废品率高、热处理时 钢材容易变形等不良后果。 带状组织一般通过正火或扩散退火得以消除和改善。
7、网状碳化物（T12）
过共析碳素钢、合金钢等钢材在轧后冷却过程中，在Acm～Ar1温度范围 内，浓度过高的碳以碳化物形式沿奥氏体晶粒边界析出，包围着奥氏体晶粒， 在显微镜下呈现网状，叫网状碳化物。 网状碳化物将增大钢中化学成分的不均匀性，在热处理淬火时容易造成很
6、带状组织（40钢）
带状组织一般出现在热轧低碳结构钢显微组织中，沿轧制方向平行
排列、成层状分布。
这是由于钢材在热轧后的冷却过程中发生相变时，铁素体优先在由 枝晶偏析和非金属夹杂延伸而成的条带中形成，导致铁素体形成条带， 铁素体条带之间为珠光体，两者相间成层分布。
带状组织危害：使钢的组织不均匀，并影响钢材性能，形成
大的组织应力，导致零件的变形及开裂。而且使钢材的机械性能降低，尤其是
冲击性能的降低。 网状碳化物出现后，一般采用退火后提高淬火温度重新处理。
三、实验方法
（1）仔细观察所列试样，研究每个样品组织特征；
（2）描绘试样显微组织的示意图；
四、实验报告
（1）描绘样品的热处理缺陷组织形貌； （2）试详细分析各个热处理缺陷组织的形成原因及消除的方 法。
2、过烧现象（W18Cr4V）
过烧：加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，而且晶界局部出现氧化或熔 化，导致晶界弱化。 钢过烧后性能严重恶化，淬火时形成龟裂。过烧组织无法恢复，只能报废。 因此在工作中要避免过烧的发生。
3、粗大马氏体（T14）
在低碳马氏体的表现为板条束群粗大（指同一方向上的板条 束）。 在高碳马氏体的表现为马氏体针粗大，特别对于高合金钢， 往往还伴随大量残余奥氏体。 粗大马氏体降低钢件的冲击韧性及塑性，由于残余奥氏体较 多，其硬（30钢）
带状组织的形成原因以及控制
带状组织产生原因：
带状组织是材料显微组织的两相或相组成物呈方向性的交替分布，常见于亚共析钢。
产生的原因有二：一是热轧（再结晶温度以上）时钢内存在的偏析组织或含量较高的非金属夹杂物沿压力加工方向呈带状，再结晶时成为铁素体（F）非均匀形核的核心，形成带状铁素体，形成的珠光体（P）也成带状；二是热轧时停锻温度在两相区，铁素体沿流动方向呈带状结晶，使奥氏体（A）也成带状，所以转变成的珠光体也成带状，因这种原因形成的带状组织可用正火或退火消除。
带状组织的危害：
带状组织的存在使钢的成分不均匀，并影响钢材性能，使得钢材形成各向异性，降低钢的塑性、韧性和断面收缩率，造成冷弯不合格、冲击废品率高、热处理时钢材易变形等后果。
带状组织的抑制或减轻方法：
1调整加热温度，提高加热温度延长加热时间，使形成枝晶偏析的元素（如Mn等）、残余碳化物扩散均匀，达到理想的奥氏体均匀化，同时使奥氏体的晶粒尺寸超过原始带状的条带宽度，以减轻原始带状。
2控制合理的终轧温度，适当降低终轧温度（靠近Ac3线为宜），细化奥氏体晶粒，以达到细化铁素体晶粒，从而加大其与富锰带带间距s之间的差别，减轻带状组织。
3加大终轧后的冷却速度，抑制碳在原始带状基础上的长距离扩散，消除或减轻铁素体珠光体带状。
同时兼顾考虑冷速过大带来的魏氏组织缺陷。
钢材常见缺陷组织详解
钢材常见缺陷组织详解一、带状组织（banded structure）是钢材内部缺陷之一，出现在热轧低碳结构钢显微组织中，沿轧制方向平行排列、成层状分布、形同条带的铁素体晶粒与珠光体晶粒。
这是由于钢材在热轧后的冷却过程中发生相变时铁素体优先在由枝晶偏析和非金属夹杂延伸而成的条带中形成，导致铁素体形成条带，铁素体条带之间为珠光体，两者相间成层分布。
形成原因金属材料在冶炼浇注后绝大部分要经过压力加工方可成为型材。
但是，加工后的材料容易得到沿着变形方向珠光体和铁索体呈带状分布的组织，即形成带状组织。
形成带状组织的原因大致有两种：1、由成分偏析引起的带状组织在低碳钢中，由于夹杂物的含量较多，加工变形后，夹杂物呈流线分布，当钢从热加工温度冷却时，这些夹杂物可作为先共析铁索体成核的核心，使先共析铁素体先在夹杂物周围生成，最后剩余奥氏体转变成珠光体，使先共析铁素体和珠光体呈带状分布，形成带状组织。
这种带状组织很难用热处理的方法加以消除。
2、由于热加工温度不当引起的带状组织在锻造时，热加工停锻温度位于两相区时（Ar1和Ar3之间），铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体被割成带状，当冷到Ar1时，带状奥氏体转化为带状珠光体，这种组织可以通过正火或退火的方法加以消除。
带状组织的存在会使金属的力学性能呈各向异性，沿带状组织的方向明显优于其垂直方向。
压力加工时易于从交界处开裂。
对于需要后续热处理的零件，带状组织轻则会导致热变形过大，重者会造成应力集中，甚至出现裂纹。
如果带状组织非常严重的话，正火是解决不了的，最好进行高温扩散退火，在1050℃以上加热，才能使碳原子扩散均匀，消除带状组织。
消除方法带状组织一般可用热处理方法加以消除。
对于高温下能获得单相组织的材料，带状组织有时可用正火来消除。
而因严重的磷偏析产生的带状组织必须用高温扩散退火及随后的正火加以改善。
具体消除手段如下：1、由成分偏析引起的带状组织，即当钢中含有磷等有害杂质并压延时，杂质沿压延方向伸长。
带状组织对低碳微合金钢性能的影响及控制
１ 号样 和 ２号样 分别选 用韶 关 钢铁 集 团有 限公 司（ 以下 简 称 “ 钢 ” 第 三炼 钢 厂 生 产 的 １０ｍｍ 韶 ） ５ 和 ２０ｍｍ厚连 铸坯 ， ５ 其化学 成分见 表 １ 所示 ．
一
般带状 组织可 分为铁索 体 一 光体 的带状 组 珠
的组织 及其性 能 进行 分 析 ， 以此 探讨 带 状 组织 对 其 性能 的影 响 ， 并依 此提 出相应 的改进措施 加 以控 制 ，
织和 含锰 钢 中锰 与 硫形 成 的 Ｍｎ Ｓ夹 杂物 在 轧 制 时 沿轧 向延 伸形成 的 带状 组 织两 种 ， 前者 最 常 见 也最 主要 ． 生产检验 中 ， 带 状组 织 进行 评 级 ， 在 对 以表征
ｔ ｎ ｉ ｍｅｔ ｇ ａ ｄ ｃ ｎ ｉ ｕ ｕ ａ ｔ ｇ ｒ ｄ ｃｎ ｅｃ ｎ ｒ ｌ ｅ ｒ ｇ ｔ ｎ ｉ ｅ ｃ ｓ ｌｂ， ｅ ｒ ａ ｉ ｇ ｔｅ ｆ ｉｈｎ ｌ ｔｒ ・ ｉ ｎ ｓ ｌ ｎ ｎ ｏ ｔ ｏ ｓｃ ｓｉ ，ｅ ｕ ｉｇ ｔ ｅ ｔａ ｇ ｅ ａｉ ｎ ｔ ａ ｔｓａ ｄ ｅ ｎ ｎｓ ｉ ｇｒ ｌ ｅ ｏ ｉ ｎ ｎ ｈ ｓ ｏ ｈ ｃ ｓ ｈ ｉ ｏ ｎ
关键词 ： 带状组织 ； 性能 ； 形成机理 ； 措施
中 图分 类 号 ： Ｇ１５ Ｆ １ 文献标识码 ： Ａ
Ｅｆｅ ｔ ｆ ｚ ｎ ｔ ｕ ｔ ｒ ｎ ｔ ｅ ｍ ｅ ｈ Ｉ ｃ ｌｐ ｏ ｅ ｔｅ ｆ ｆ ｃ ｓｏ ｏ ｅ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｏ ｈ ｃ ａ ｌ ａ ｒ ｐ ｒｉｓｏ ｉ ｌ ｗ－ ａ ｂｏ ａ ｉ ｒ ａ ｌ ｙ ｄ ｓ ｅ ｌ ｏ ｃ ｒ ｎ ｎｄ ｍ ｃ ｏ・ ｌ ｅ ｔ ｅ ｓ ｏ
ｐａ ｔ ｉ ｄ ｔｕ ｈ ｅ ｓｏ ｅ ｓｅ ｌ ｌｒ ｅ ． ｈ ｏ ｅ ｍｉｒ ｓｒ ｃｕ ｅ ｃ ｕｄ ｂ ｏ ｔ ］ ｄ ｂ ｐ ｉ ｚ ｇｔ ｅ ｓｅ ｌｅ ｍｐ ｓ－ ｌｓｉ ｔ ａ ｏ ｇ ｎ ｓ ｆ ｈ ｔ ｅｓｃ ａｉ ｄ Ｔ ｅ ｚ ｎ ｅ ｏ ｔ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｃ ｎｒ ｌ ｙ ｏ ｔ ｃｙｎ ｔ ｉ ｆ ｕ ｏｅ ｍｉｉ ｈ ｔ ｅ ｏ ｏ ｉ ｎ
钢中带状组织的影响因素及改善方法
钢中带状组织的影响因素及改善方法带状组织是钢材内部的一种缺陷，可分为一次带状组织和二次带状组织。
前者是在冶炼过程中，由于钢水凝固时产生枝晶偏析所形成的原始带状组织；后者是钢材在热加工后冷却所产生的沿轧制方向平行排列、成层状分布、形同条带的组织。
带状组织的存在使钢的组织不均匀，并严重影响钢材性能，降低钢的塑性、冲击韧性、断裂韧性和断面收缩率，造成冷弯不合、冲压废品率高；热处理时钢材容易变形、淬火开裂。
其影响因素及改善方法是：1、连铸工艺钢材轧后出现的带状组织主要来源于连铸坯中产生的枝晶偏析，控制连铸坯的枝晶偏析和促进元素的均匀分布是减轻或消除带状组织的有效方法。
从连铸工艺方面来看，扩大等轴晶区的范围和获得细小的二次枝晶能有效控制枝晶偏析。
通过合理控制浇注温度并保持恒定的速度浇注能有效增大等轴晶区域；另外，采用末端电磁搅拌，利用感应磁场产生的电磁力破碎树枝晶，使其作为等轴晶核心长大，能有效控制连铸坯的中心偏析；还有，制定合理的二冷工艺，控制二冷区各段冷却水量的大小，可以控制连铸坯表面温度，使连铸坯冷却均匀，也可以得到大区域的等轴晶。
2、轧钢工艺一次带状组织是在连铸过程中出现的，但采用合理的轧钢工艺可有效抑制二次带状组织的出现。
轧钢工艺中加热制度、开轧温度、变形量、终轧温度和冷却速度等参数尤为重要。
通过铸坯加热，可对铸态组织的成分偏析起到均匀化作用，也可以降低轧制过程的变形抗力，在允许的条件下，都尽可能采用较高的加热温度，而且还要保证足够的加热时间。
另外，奥氏体未再结晶区大压下量轧制法不仅对材料的带状组织减轻有利，而且还有细化晶粒的作用；同时冷却速率也是改善带状偏析的关键因素，随着冷却速度的增加，带状组织级别减轻或消除。
3、热处理工艺通过合理的热处理能有效减轻带状组织的级别。
钢在退火过程中，由于随炉冷却，使先共析铁素体析出充分，加重带状组织级别。
在正火过程中，冷速较快，可以减轻带状组织。
采用等温正火工艺可有效抑制带状组织的产生，将钢材加热到Ac3或Acm以上30-50℃，保温一段时间，快速冷却到珠光体转变区的某一温度，然后进行保温使其完成铁素体和珠光体的均匀转变，随后在空气中进行冷却。
实验3-钢中带状组织、魏氏组织、游离渗碳体的组织观察与检验
10钢退火 500x
3、游离渗碳体的形成原因、危害及消除
08钢退火 500x
4、参考标准：GB/T 13299-1991 钢的显微组织评定方法
实验三 钢中带状组织、魏氏组织、 游离渗碳体的组织观察与检验
一、实验目的及要求
1．掌握钢中带状组织组织的观察与检 验。
2．掌握钢中魏氏组织的观察与检验。 3．掌握钢中游离渗碳体的观察与检验。
a） 由成分偏析引起。碳素钢带状组织的存在多数是由成分偏析引起。
b）由热加工温度不当引起。
1、带状组织的形成原因、危害及消除
一般来说：带状组织使钢有明显的各向异性，在垂直于轧 制方向（即垂直于带状组织方向）的伸长率δ、断面收缩 率ψ及冲击韧度αk降低。带状组织对钢的屈服点σs和抗拉 强度σb影响不大。
消除的措施要从产生的原因上着手，一是控制热处理加 热温度，二是控制冷速。
3、游离渗碳体的形成原因、危害及消除
10钢退火 500x
3、游离渗碳体的形成原因、危害及消除
低碳钢在退火温度较高或者坯料热轧后缓慢冷却后在 晶粒内或者晶界上出现的颗粒状碳化物。一般认为：碳含量
≤0.15 低碳退火钢板中的游离渗碳体主要是珠光体转变产物，其中也会有三 次渗碳体的存在；而极低碳钢中的游离渗碳体就是三次渗碳体。
3、根据标准判断试样的带状组织、 魏氏组织、游离渗碳体级别。
28MnCr钢轧制状态 100X
Q345钢轧制状态 100X
45钢正火状态 100X
40Cr钢正火状态 100X
05钢退火状态 500X
10钢轧后退火状态 500X
游离渗碳体有A、B、C三种类别。A系列均匀分布，严重 时趋于网状；B系列呈点状或者细小粒状，严重时趋于链状； C系列系列呈点状或者细小粒状，有变形方向取向。
12Cr1MoV钢管带状组织的产生与消除
３ １ １ Ｃｒ Ｍｏ 钢 管 热 处 理 后 出 现 带 状 组 ． １ Ｖ ２
，
织 的 必 要 条 件 为 ：① 加 热 温 度 必 须 超 过 Ａｃ － 点 ．即部 分 奥 氏体 化 或 完 全 奥 氏 体化 ；② 冷
理 ， 会 出现 带 状 组 织 。 有 带 状 组 织 出 现 ． 不 若 说 明该 钢管的热 处理 工艺不符 合标准 要求 ． 应 再 次 按 际准进 行热 处 理 ．并 且 应 注 意 适 当
ｗｉ ．Ｄ． ≤ ６ ｍ ｍ ｎ ． Ｔ．≤ １ ｍ ｍ． １ｈ ｅ ｔｒ ｓ 【 ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅｄ ｖ ｌｐ ｎ ｆｔ ｅｓ ｉ ｔ Ｏ ｈ ０ ａ ｄＷ ０ ｅｔ ｓ ｅ ｏｔ ｓ ｏ ｔ ａ ｈ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｏ ｈ ａｄ ｓ
ｂ ｎ ｅ ｒｅ ａ ｉ ｎ ｉ ｅ ａ ｅ ｏ ｔ ｉ ａ ｅ ｔ ｔ ｅ ｔ ｎ ｆｔ ｅ ｐ ｐ ｎ ｈ ｔ ｔ ｅ ｄ ｆ ｃ ｏ ｌ ｅ ｅ ａ ｄ ｄ ｏ ｉｎｔ ｔｏ ｓ ｒ ｌ ｔ ｄ ｔ ｈｅ ｆｎ ｌｈ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔｏ ｈ ｉ ｅ ａ ｄ ｔ ａ ｈ ｅ ｅ ｔ ｃ ｕ ｄ ｂ 一 ／ ｉ ｅ ｙ ｓ ｒｃ ｏｎ ｒ ｆｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｏ ｉ ｇ ｓ ｅ ｄ ｄ ｒ ｎ ｅ ｔｔ ｅ ｔ ｎ ｓ ｐ ｒ ｒ ｌｖ ｎ ｉ ｒ ｍ ｍｔ ｄ ｂ ｔ ｉｔｃ ｔｏｌ ＂ ｅ ｏ ｅ ａ ｕ ｅ ａ ｄ ｃ ｏｌ ｐ ｅ ｕ ｉｇ ｈ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ａ ｅ ｅ ｅ ａ ｔ ｎ
组织 。
成 铁 案 体 带 状组 织 。 在 金 相 强 徽镜 下 观 察 ，带状 组织 有 三 ｆ ｌ Ｉ
笔 者 通 过 试监 ．研 究 丁 带状 组 织 的 形 成
维普资讯
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带状组织对低碳微合金钢性能的影响及控制
冲击 / J
20 ∀ 冲击
385
520
31 126, 89, 104 80, 19, 34
标准 # 355 490~ 620 # 21
# 34
表 4 1号样和 2号样的组织情况
试样
1号 2号
夹杂物 铁素体晶粒 铁素体带状 级别 /级 度级别 /级 级别 /级
组织情况
A 1. 5
8. 5
4. 0 F+ P, 中心偏析严重
Abstrac t: Tw o low carbon m ic ro a lloyed stee ls w ith various com pos itions and g auges w ere investiga ted, the co rre lation be tw een the ir m echanical properties and ferr ite pear lite zone structure eluc idated, and the effects of the m icrostructure on the p lasticity and toughness o f the stee ls c larified. T he zone m icrostructure could be contro lled by optim izing the steel com pos i tion in sme lting and continuous casting, reduc ing the central segregation in the cast slab, decreasing the fin ish ing ro ll tem peratu re, and increasing the post ro lling coo ling rate. K ey word s: zone m icro structu re; m echanical properties; form ation m echan ism
钢材带状组织的产生原因及消除方法
钢材带状组织的产生原因及消除方法摘要本文依据钢材产生的带状组织的基本原理，结合公司生产实际情况，参考有关文献，经过分析，得出了钢材带状组织的产生原因，并依此制定出相应的改进措施。
关键词钢材；带状组织；产生原因0 引言钢材存在的带状组织是常见的一种缺陷，然而带状组织缺陷问题却影响了钢铁公司的正常生产经营，一方面在公司内部发生了相当数量的由于带状组织不合所造成的废品，另一方面顾客用户提出产品质量异议，导致退货或索赔，这些都给企业产品信誉和经济效益带来了相当大负面影响。
研究证明亚共析钢冷却室温后，显微组织均是由铁素体和珠光体组成，经完全退火的亚共析钢，它的显微组织由铁素体与珠光体组成，正常情况下根据钢的含碳量按一定比例以无规律的混合状态存在，钢的含碳量越高，则珠光体量越高，而铁素体量越少，在热轧钢材上获取与轧制方向平行的截面上的试样，显微组织往往能看到沿轧制方向延伸了的交替排列的带状铁素体与带状珠光体的组织，这种组织在合金钢中最常见。
1 带状组织的成因和影响1）钢中除C以外的合金元素和杂质的偏析，是形成带状组织的原因。
因钢液在铸锭结晶形成的化学成分是不均匀分布的枝晶组织，铸锭中的粗大枝晶在轧制时沿变形方向被拉长并逐渐与变形方向一致，因此形成碳等元素的贫化带。
当钢中含有硫等害杂质时，因硫化物凝固温度较低，凝固时多分布在枝晶间隙，压延时杂质沿压延方向延伸，当钢材冷Ar3（冷却时奥氏体开始析出游离铁素体的温度）以下时，这些杂质就形成了铁素体形核的核心使铁素体形态呈带状分布，当温度继续降低时，珠光体在余下的奥氏体区域中形成，也相应地成条状分布，形成带状组织，成分偏析越严重，形成的带状组织也越严重；2）因钢材热加工温度不当引起。
钢材在热加工停锻温度（在停锻时锻件的瞬间温度）低于二相区时（Ar1（冷却时奥氏体向珠光体转变开始温度）和Ar3之间），此时铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，还没有分解的奥氏体被割成带状，当冷却到Ar1时带状奥氏体转化为带状珠光体。
带状组织成因与控制
带状组织成因与控制一、带状组织：由于铸坯所固有的枝晶偏析，在轧制过程中，沿轧制方向形成铁素体和珠光体交替重叠的带状分布，称为带状组织。
二、成因：1.主要原因：铸坯枝晶偏析。
带状组织主要是由于铸坯在浇注过程中枝晶组织带来的Mn、Si 等合金元素偏析造成的，其认为Mn偏析的影响更大。
凝固枝晶组织中，枝间Mn含量较高，枝干处Mn含量较低。
由于加热和轧制过程中Mn偏析保留下来或没有完全消除，造成扎后钢板在冷却相变前的奥氏体中形成贫Mn带和富Mn带。
因此，成分带状分布的结果造成了相变后钢板中铁素体和珠光体带状组织。
这种带状组织成因很难用热处理的方法消除。
2.由热加工温度不当引起的带状组织。
即热加工停锻温度在二相区时（Ar1和Ar2之间），铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体被割成带状，当冷却到Ar1时，带状奥氏体转变为带状珠光体。
这种带状组织可以通过正火或退火的方法加以消除。
三、控制：1.控制钢水过热度。
浇注温度低能提供大量的晶核，较早的阻止柱状晶生长导致大的等轴晶区。
一般控制钢水过热度20~30℃为宜。
除严格控制中间包钢水的浇注温度外，还可以采用在结晶器内喷吹金属粉末等措施，一方面起到微型冷却剂的作用，消除过高的过热度，另一方面也起到形核剂的作用，作为结晶核心，促进等轴晶形成。
2.采用电磁搅拌（EMS）。
通过电磁力作用，打碎柱状晶，使树枝晶的碎片作为等轴晶核心长大而扩大等轴晶区。
3.控制二冷却水量。
降低二冷水量可使柱状晶宽度减少，等轴晶区宽度增加。
4.对连铸过程拉速的优化控制以及动态轻压下的使用等，也可减少连铸坯枝晶偏析，进而对减轻热轧钢板的带状组织起到一定的作用。
5.合理的的加热制度，控轧控冷（TMCP）技术的应用，包括合理的开轧温度、终轧温度、轧后冷却速度和冷却方式，以及奥氏体再结晶区和未结晶区压下量的分配和道次压下量设定等，对减轻或避免带状组织有重要作用。
6.轧后较严重的带状组织可以通过高温扩散退火后正火+回火来减轻。
中低碳齿轮钢中合金元素的偏析行为及其对带状组织的影响
中低碳齿轮钢中合金元素的偏析行为及其对带状组织的影响张延玲1) 刘海英2) 阮小江2) 李国忠2) 白李国1) 王福明1)1)北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083 2)兴澄特种钢铁有限公司,江阴214429摘 要 带状组织是影响中低碳齿轮钢内在质量的主要缺陷之一.本研究利用光学显微镜观察到了20CrMnTiH 和SAE8620H 齿轮钢工业样品的带状组织,电子探针分析表明两钢种样品中均存在着Cr 、Mn 、Si 等合金元素的带状偏聚.分析结果表明,元素偏聚只是产生带状组织的必要和前提条件,而非充分条件.除了微观偏析之外,合金元素对γ→α转变温度A r3的影响趋势、在钢液中的溶解度或含量、对C 活度的影响趋势、以及对CCT 曲线的影响趋势等均对带状组织的形成或消除具有重要影响.减弱或消除带状组织的形成,一方面需要获得细小的铸坯二次枝晶间距,促进元素均匀分布,另一方面即便是在存在元素偏聚的条件下,若控制适当的轧制冷却工艺及合适的奥氏体晶粒尺寸,也有可能从根本上消除带状组织.关键词 齿轮钢;合金元素;带状组织;20CrMnTiH ;SAE8620HMicrosegregation behaviors of alloy elements and their effects on the formation of banded structure in pinion steelsZHA N G Yan 2ling 1),L IU Hai 2ying 2),RUA N Xiao 2jiang 2),L I Guo 2z hong 2),BA I L i 2guo 1),W A N G Fu 2ming 1)1)School of Metallurgical and Ecological Engineering ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China 2)Jiangyin Xingcheng Special Steels Co.Ltd.,Jiangyin 214429,ChinaABSTRACT Banded structure is one of the main defects which influence inner quality of medium 2and low 2carbon pinion steels.In this paper ,the banded structures of industrial pinion steel samples of 20CrMnTiH and SAE8620H were observed by optical micro 2scope ,and the results of EPMA analysis showed obvious banded segregation of alloying elements ,such as chromium ,manganese and silicon in these two types of samples.However ,the results revealed that element segregation is ,not a sufficient ,but a necessary con 2dition of forming banded structures ,since in some examples even the banded segregation of elements was observed while the banded structures did not exist.In addition to micro segregation ,other properties of alloying elements ,such as their effect trend on the tran 2sition temperature from austenite to ferrite (A r3),their solubility or content in steel ,their effect on the carbon activity and CCT curves ,also give significant influence on the formation of banded structures.In order to weaken or eliminate banded structures ,sever 2al possible ways were suggested for the industrial practice.KE Y WOR DS pinion steel ;alloy element ;banded structures ;20CrMnTiH ;SAE8620H收稿日期:2009210215基金项目:江阴兴澄特种钢铁有限公司博士后流动站资助项目作者简介:张延玲(1972—),女,副教授,博士,E 2mail :zhangyanling @ 中低碳齿轮钢中的带状组织是指沿钢材轧制方向形成的、以先共析铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此堆叠而成的组织形态.带状组织是影响齿轮钢内在质量的主要因素之一,它破坏了钢的连续性,会使齿轮钢的性能产生明显的各向异性.通常认为,元素偏析是产生带状组织最根本的原因.从目前所获得的资料来看[1-10],前人的研究主要集中在合金含量较低的低碳钢中带状组织的形成机理及控制措施方面.在这类研究样品中,人们发现C 、Mn 元素(也有部分文献[5,7]中发现P 元素)的带状偏聚是产生带状组织的主要原因,带状组织的消除也主要是从消除C 、Mn 等元素的微观偏析入手,包括[1,3-4]:加快钢液凝固时的冷速,减小C 、Mn 元素偏聚程度,降低偏聚浓度差;采用较高的铸坯均热第31卷增刊12009年12月北京科技大学学报Journal of U niversity of Science and T echnology B eijingV ol.31Suppl.1Dec.2009温度和较长的均热时间,加快C、Mn等元素的扩散速度,但实际条件下往往难以达到元素尤其是Mn 元素均匀化所需要的时间和温度;以及轧制过程中进行热加工,高温大变形量热轧使枝晶间距变小,有利于元素扩散及成分均匀化.但对于合金含量较高的钢种如齿轮钢等,除了C、Mn等元素以外,其他合金元素如Cr、Si、Ti、Mo、S等同样容易产生带状偏聚,且由于不同的合金元素对C元素活度的影响差别较大,对钢材冷却过程中CCT曲线转变的影响趋势不尽相同,进而对奥氏体向珠光体/铁素体的转变均具有较大影响.因此研究这类合金钢中各合金元素的偏析行为、及其对带状组织形成的潜在影响机理,对于减弱或消除带状组织具有重要意义.本论文结合某企业齿轮钢生产实际,工业生产中分别对20CrMn TiH和SAE8620H两钢种取样,利用光学显微镜观察了样品带状组织状况,同时利用电子探针分析了C、Mn、Cr、Ti、S、Ni等合金元素的微观偏析状况,分析了这类合金元素的微观偏析行为对带状组织的影响趋势及潜在机理,并探讨了消除中低碳齿轮钢带状组织的可能措施.1 实验材料和方法111 实验材料样品取自于工业生产中的轧材,钢号为20CrMn TiH和SAE8620H两个钢种,分别在轧材的表面、中心、半径二分之一处取样.各钢种合金元素成分含量及样品编号如下表1所示.表1 各钢种主要合金元素成分钢种合金元素含量/%C Si Mn P S Cr Ni Mo Ti 样品编号20CrMnTiH01220127019701010100511140104501050105I332,I336,I337 SAE8620H011901250178010101020148014601170102I373,I374112 实验分析方法(1)对样品进行粗磨、细磨、抛光后,用4%硝酸酒精溶液侵蚀样品表面,利用光学显微镜观察带状组织状况.(2)利用电子探针观察样品表面的背散射情况,对应于带状组织部位进行面扫描,分析C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、S等元素的微观分布状况.2 结果分析211 实验样品带状组织概况图1、图2所示分别为本实验获得的20CrMn TiH及SAE8620H齿轮钢轧制样在光学显微镜下观察到的、具有代表性的金相组织照片.可以看出,对于20CrMn TiH,在编号为I332的样品中发现了明显的带状组织(图1(a)、(b)),带宽在几十个微米至百微米之间;而在编号为I336、I337的样品中(图1(c)、(d))几乎没有发现带状组织,与I332相比,I336、I337样品中的珠光体颗粒尺寸较大,直径约有几十微米甚至近百微米.SAE8620H中,两样品中发现的带状组织状况类似,带宽约几十微米至近百微米,如图2所示.212 合金元素微观偏析状况21211 20CrMN TiH钢种图3所示为利用电子探针观测到的20CrMn TiH齿轮钢I332样品中心部位的背散射图像.根据背散射分析原理可知,图像亮度越高说明具有高原子序数的元素含量越高.图3显示的结果说明I332样品中具有高原子序数的元素呈现明显的带状偏聚.对图3中的某一亮带部位利用电子探针进行面扫描,结果如图4所示.可以看出样品中存在着明显的Cr、Mn、Si、C元素的带状偏聚,且偏聚带对应着金相样中的珠光体带(C含量较高),而Ti、Ni元素分布较为均匀.由图3至图5的结果可以发现,本研究所获得的20CrMn TiH齿轮钢三个样品中均存在着Cr、Mn、Si三种元素较为明显的带状偏聚,所不同的是有的样品中Cr、Mn、Si元素的带状偏聚能够导致C 元素的带状偏聚,进而产生珠光体/铁素体带状组织,如I332样品.而有的样品,如I336、I337,在即便是上述三种元素存在带状偏聚,但C元素却均匀分布,进而在奥氏体转化过程中各部位珠光体、铁素体均匀形核,有效抑制了带状组织的形成.由图1可以看出,与I332样品明显的带状组织相比,I336、I337样品中没有发现带状,却出现了尺寸较大的珠光体颗粒或“珠光体结瘤”.已有研究[9]也发现了同样的问题,即在没有出现带状的样品中发现了大量尺寸较大的“珠光体结瘤”(Pearlite Nodule),作者认为这些“珠光体结瘤”是由轧制过程中尺寸较大的奥氏体晶粒转变而来的(奥氏体晶界作为铁素体形核·2·北 京 科 技 大 学 学 报2009年增刊1图1 20CrMnTiH 样品金相组织:(a )I332样品中心部位;(b )I332样品二分之一半径处;(c )I336样品中心部位;(d )I337样品中心部位图2 SAE8620H 样品金相组织:(a )I373样品中心部位;(b )I374样品中心部位图3 I332样品(20CrMnTiH )背散射图像核心,C 进一步扩散到原奥氏体晶粒内部,最后形成珠光体).从目前可获得的文献来看,国外有较多研究发现[6,8-10]即便是在存在合金元素带状偏聚的条件下,如果原始奥氏体晶粒尺寸相对于二次枝晶间距较大(有文献[9]认为是二次枝晶间距的215～3倍,也有文献[10]认为是017倍以上)时,带状组织也不会形成.这说明元素偏析只是引起带状组织的必要条件,而非充分条件.即便是在存在元素带状偏析的条件下,如果采取合理措施也有可能从根本上消除带状组织.从本研究来看,可能的情况是与I332相比,I336、I337样品中原始奥氏体晶粒较大,铁素体形核核心较少,难以形成带状,而在尺寸较大的奥氏体晶粒内部最终转化成了尺寸同样较大的“珠光体结瘤”.21212 SAE8620H 钢种图6、图7所示分别为SAE8620H 齿轮钢中I374样品在电子探针下的背散射图像及面扫描结果.可以看出,该样品中Cr 、Si 、C 元素存在着带状偏聚,进而导致产生珠光体/铁素体带状组织(图2),Ni 、Mo 元素分布相对均匀.而Mn 元素主要以MnS 夹杂物形式存在,且MnS 带嵌在珠光体带之间,二者方向一致.从本结果来看该样品中出现的带状组织并不是由通常认为的Mn 元素的带状偏析引起的,主要是由Cr 、Si 、C 三元素的带状偏析引起.·102·V ol.31Suppl.1张延玲等:中低碳齿轮钢中合金元素的偏析行为及其对带状组织的影响图4 I332样品面扫描结果:(a )背散射图像;(b )面扫描分析结果图5 I336样品中的背散射图像及面扫描结果:(a )背散射图像;(b )面扫描结果图6 I374样品(SAE8620H )背散射图像213 合金元素的其他性质对带状组织的影响(1)合金元素的偏析倾向.有的研究结果已表明带状组织是在钢液由液相向固相转变时产生的枝晶偏析的基础上形成的,因此各合金元素在钢液凝固过程中偏析倾向的大小对最终形成带状组织的级别具有重要影响.元素偏析倾向通常用其在已凝固金属中的浓度与液相中的浓图7 I374样品(SAE8620H )面扫描结果度之比k (如下式(1))来表示.k 越小,说明偏析的倾向越大.k =C B /C 1(1)式中,C B 为元素在已凝固相中的浓度;C 1为液相中的浓度.由目前可获得资料中查到的、常见元素在固液·202·北 京 科 技 大 学 学 报2009年增刊1相中的浓度分配比k如下表2所示.可以看出,元素如C、S、P等偏析倾向较大,其次是Cr、Mn、Mo、Si等.不同的文献给出的k值并不相同,尤其是对于Cr元素,不同研究者得到的k 值差别较大.本论文研究的20CrMn TiH、SAE8620H齿轮钢种,是富含Cr、Mn、Ti、Mo等合金元素的钢种,这几种元素在钢液向固相转变过程中产生的枝晶偏析会对轧材中的带状组织具有重要影响.表2 元素在钢液凝固过程中在固液相的浓度分配比元素Cr C Mn Si Ni Mo P Sk 0186[11],0195[5],0133[6]0134[11],0113[5]0179[11],0184[5],0171[6]018[11],0166[5]019[11],0183[5],018[6]016[11],018[5]0106[11],0113[5],0114[6]0103[11],0102[5] (2)合金元素对γ→α转变温度Ar3的影响.目前所讨论的钢中带状组织缺陷通常指的是钢在γ→α固相相变的过程中产生的二次带状(区别于钢液由液相向固相转变过程中由于选择性结晶引起的原生或一次带状,有时又称其为树枝状结晶组织).前面讨论的合金元素的偏析倾向会使得元素在一次带状的枝干和枝间的浓度不同,进而引起枝干和枝间的Ar3温度不同.在轧制过程中钢锭中的粗大枝晶沿变形方向被拉长,并逐渐与变形方向一致.在Ar3温度较高的地方会先形成铁素体,并促使碳原子向Ar3温度较低因而仍保留为奥氏体的相邻区域扩散,在这些富集碳的地方,最后形成珠光体.不同合金元素对γ→α转变温度Ar3的影响趋势不同,进而对珠光体/铁素体的影响趋势也不同.一般情况下,奥氏体形成元素将降低Ar3,使转变的过冷度减小,转变的驱动力减小,增加过冷奥氏体的稳定性.而铁素体形成元素将使Ac3温度升高,使转变的过冷度增大.资料表明P、Al、Ti、Si、Mo、V等元素会升高Ar3温度,而C、Mn、Cr等元素的偏聚会降低Ar3温度[12].下式(2)所示为研究[12]得到的各合金元素对Ac3温度的影响,从中可间接反映出各元素对Ar3温度的影响程度及趋势.本文所讨论的20CrMn TiH、SAE8620H钢种所含合金元素中,Cr、Mn、Ni等降低Ar3温度,而Si、Ti、Mo等提高Ar3温度.A C3(℃)=910-203%C-1512(%Ni)+ 4417(%Si)+104(%V)+3115(%Mo)+1311(%W)-[30(%Mn)+11(%Cr)+20(%Cu)-700(%P)-400(%Al)-120(%As)-400(%Ti)](2)(3)元素在钢液中的溶解度或含量.各合金元素在钢液中的溶解度或含量也是影响带状组织的一个重要因素.(2)式中,从公式内部的系数来看,P、Ti等影响A r3的趋势非常大,但如果二者含量较低,由其偏聚引起的ΔA r3(A r3温度变化)的绝对值并不大,进而对带状组织的影响也并不明显.反而如Mn元素,其影响A r3的程度并不大(公式中的系数较小),但通常由于Mn含量较高,它的偏析反而成了影响带状组织形成的重要因素.有研究结果[5,7]也表明,在低合金钢中P的偏析是产生带状的主要原因之一,而在如20CrMn TiH等合金元素含量相对较高的钢中,由P偏析起的作用会被其他合金的偏聚所掩盖,对带状组织的形成起不到主导作用.(4)合金元素对C活度的影响.γ→α转变的实质是C元素的重新分配.C元素的扩散方向和区域直接决定了珠光体/铁素体带的形成.C的扩散是由活度高的地方向其活度低的地方进行,即便是浓度较低的地方如果活度高,它也会扩散到活度低而有可能浓度高的地方(即爬坡扩散).而C活度的大小受其他合金元素的影响较大.本研究所探讨的20CrMn TiH、SAE8620H钢中如Cr、Mn等是碳化物形成元素,这类元素偏聚的地方C的活度较小,而Si、P等元素的存在会使C活度升高.因此,不同性质的元素偏聚会引起C的扩散方向和程度不同,进而对形成带状组织的影响趋势也不同.(5)元素对CCT曲线的影响.合金元素对过冷奥氏体恒温转变动力学曲线的影响趋势不同,由此产生的对带状组织的影响趋势也不同.Ti、V、Nb、W、Mo等强碳化物形成元素强烈推迟珠光体转变,对贝氏体转变推迟较少,同时升高珠光体最大转变速度的温度,降低贝氏体最大转变速度的温度.而Cr、Mn等中、弱碳化物形成元素推迟贝氏体转变的作用更加显著.有文献表明[13-14],由于Mo元素能够推迟珠光体转变,促进针状铁素体组织的形成,在某些钢种成分中通过添加适量的Mo元素能够有效抑制带状组织的形成.·32·V ol.31Suppl.1张延玲等:中低碳齿轮钢中合金元素的偏析行为及其对带状组织的影响3 减弱或抑制带状组织形成的措施本研究结果表明,减弱或消除中低碳齿轮钢带状组织可从以下几个途径进行:(1)改善铸坯凝固组织,获得细小二次枝晶.如前所述,钢液在凝固过程中产生的元素偏析是形成带状组织的最直接原因,因此促进元素的均匀分布对于减弱或消除带状组织的形成具有至关重要的作用.从连铸工序来看,首先需要降低或抑制铸坯宏观缺陷如疏松、裂纹的产生,其次致密、细小的凝固组织的获得是促进合金元素均匀分布的前提条件.目前通常用铸坯的二次枝晶间距大小来表征元素偏析状况,二次枝晶间距越小表明元素分布越均匀,进而形成带状组织的级别越低.如前文所提到的国外较多研究[8-10]表明,即便是在存在合金元素带状偏聚的条件下,若奥氏体晶粒尺寸相对于二次枝晶间距较大,换一种说法是二次枝晶间距相对于奥氏体晶粒尺寸较小时,带状组织也不会形成.连铸工序方面,影响二次枝晶间距的因素非常复杂,受到化学成分、断面尺寸、过热度、冷却速率等多方面的共同影响,需要系统研究、优化各工艺参数,以保证获得尽可能小的二次枝晶间距.(2)控制合适的轧制冷却工艺及奥氏体晶粒尺寸.如前所述,元素偏聚是产生带状组织的必要和前提条件,但并不是充分条件.本研究及前人研究结果均表明,即便是在存在元素偏聚的情况下,若采取合理的措施,带状组织是有可能从根本上消除的.这里提到的合理措施,主要是包括适当的轧制冷却制度及合适的奥氏体晶粒尺寸.文献[5]所研究的低合金钢中的带状组织主要是由于P元素的偏析而引起的,其通过控制轧制冷却速率进而消除带状组织的大致思路如图8所示.图8中曲线1、曲线2分别表示的是高P钢和低P 钢的恒温转变曲线,进而也可以分别代表同一钢中由P偏析引起的高P区域和低P区域的恒温转变曲线.如果控制冷却速率较慢,如(a)所示,铁素体将会率先在M点即高P区域形核.由于P能够提高C的活度系数,因此高P区域C的活度较高,相应的其实际浓度却偏低,此处铁素体的形核将会推动C元素向低P区域、即原本C浓度就很高(活度低)的区域进一步扩散,进而会加剧C元素的偏聚,形成严重的带状组织;而如果控制冷却速率较快,如(b)所示,铁素体将会率先在N′点即低P区域形核,会促进C元素向高P区域、原本C浓度较低的区域扩散,进而会使C的分布更均匀,促进铁素体和珠光体随机形核长大,削弱甚至抑制带状组织的形成.根据其研究结果作者很好地改善了所研究钢种中的带状组织状况.图8 文献[5]研究结果另一方面,若能适当增加奥氏体晶粒尺寸会削弱甚至消除带状组织的形成.这与前面提的细化二次枝晶相辅相成,奥氏体晶粒尺寸大小主要是与二次枝晶间距相对而言.图9显示的是文献[9]模拟研究二次枝晶间距及奥氏体晶粒尺寸对带状组织的影响.图中双黑实线代表元素偏聚带.奥氏体晶粒尺寸较小时,较多的奥氏体晶界为铁素体形核提供了非常有利的条件,较多的铁素体晶粒很容易随着轧制的进行被延伸成带状,而将C进一步扩散到奥氏体晶粒内部形成珠光体.而若奥氏体晶粒较大,铁素体形核核心较少,会有利地降低不同区域铁素体形核速率的差异,进而难以形成带状.研究[9]认为当奥氏体晶粒直径是元素偏聚带距的215～310倍时,带状组织不会形成,也有研究[10]认为只要奥氏体晶粒直径大于元素偏聚带距的017左右,带状组织也基本不会形成.其实从理论上讲,带状组织产生的最根本原因是奥氏体转变过程中不同区域形核速率的差异,如果各部位形核速率基本相同,铁素体与珠光体也会均匀分布.元素偏聚只是最直接、或者说是表面原因,元素偏聚会引起各区域A r3温度不同,进而铁素体形核先后顺序及速率不同.目前有部分研究[15-17]认为,若各区域形核速率差异小于6%～8%,带状组织基本不会形成.而形核速率的差异,除了与元素偏聚有关以外,还与形核核心、温度梯度等因素密切相关.(3)适当调整化学成分.如前所述,各合金元素方方面面的性质都会影·42·北 京 科 技 大 学 学 报2009年增刊1图9 奥氏体晶粒尺寸与带状组织的形成[9]响到带状组织的形成和消除.对于合金元素种类较多的钢种,研究带状组织的形成或消除是一项较为复杂的工作,需要考虑到多方面的原因.但不同性质的元素的相互配合或协调,也可有效改善轧材上带状组织的状况.例如提高A r3温度和降低A r3温度的不同元素的搭配可有效降低各区域A r3温度的差别.另外如提高C活度与降低C活度的不同元素的配合也可以有效促进C元素在各部位的均匀分布.有研究[4]表明,在Mn含量较高的钢中适当增加Si的含量,可减轻或延缓C向富Mn区的扩散,进而能够有效防止带状组织的形成.4 结论本论文在20CrMn TiH和SAE8620H齿轮钢工业生产样品中,发现有不同程度的带状组织存在.电子探针分析结果表明,各样品中均存在着Cr、Mn、Si等合金元素的带状偏聚.对于20CrMn TiH, I332样品中发现了C、Cr、Mn、Si等合金元素的带状偏聚,同时也观察到了轧制样品中的带状组织,而在I336、I337样品中虽然也存在着Cr、Mn、Si合金元素的带状偏聚,但C元素却均匀分布,相应地轧制样品中没有观察到珠光体/铁素体带状.与I332样品相比,I336、I337样品中发现了尺寸较大的珠光体颗粒或“珠光体结瘤”.可能的情况是与I332相比, I336、I337样品中原始奥氏体晶粒较大,铁素体形核核心较少,难以形成带状,而在尺寸较大的奥氏体晶粒内部最终转化成了尺寸同样较大的“珠光体结瘤”,也有其他人的研究发现了同样的问题.这说明元素偏聚只是产生带状组织的必要和前提条件,而非充分条件,即便是在存在元素偏聚的条件下,若控制适当的轧制冷却工艺及合适的奥氏体晶粒尺寸,也有可能从根本上消除带状组织.参 考 文 献[1] Liu Y X.Reason of formation,harmful effect and removal ofband structure in low carbon alloy steel.Heat T reat ment of Met2als,2000,12:1(刘云旭.低碳合金钢中带状组织的成因、危害和消除.金属热处理,2000,12:1)[2] Fan J W,Xie R P,Zhang W X,et al.Banding pearlite of plainC-Mn steel plates with 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马氏体时效钢带状组织产生的原因及消除方法
完全奥氏体化, 但是如果温度过高或者保温时间 过长, 组织会过度长大, 对材料的性能带 来不利 影响, 因 此 本 次 实 验选 取 的 常 规 固 溶 制 度 为 [ 5] 820 1h , 在常规固溶制度确定的条 件下还 需进一步确定其高温固溶时间, 这样才能得到完 整的热处理制度。在常规固溶制度和高 温固溶 温度不变的情况下, 本次实验选择 3 个不同的高 温固溶时间分别是 1h 、 2h 、 4h , 来确定最佳的高温 固溶时间。其各自的金相组织如图 4 所示。 从图可以看出, 图 4 ( a) 中组织还未达到 充 分均匀 , 而图 4( c) 中组织又过于粗大 , 对材料时 效后的强度均有不利的影响。锻件在 1050 2h+ 820 1h 处理时, 组织和成分最均匀 ( 图 4 ( b) ), 这也为时效过程中金 属间化合物的均 匀 弥散析出提供了最好的条件。对材料的 强度提 高起到了一定促进作用。因此本文确定 材料的 最佳的热处理制度为 1050 保温 2h。
properties o f h igh strength 1 8 % N i coba lt free m arag ing stee l [ J] 何毅 ~ 57 [ 5] 尹钟 大 , 李晓东 何 毅 , 杨柯 18N i马氏体 时效钢 时效机 理的 研究 [ J] 金属学报 , 1995, 31( 1): 7~ 13 超 纯净 化 18N i( 350) 马 氏体 时 效钢 Iye r K J L, et al Sc ience 2000, 5 的研 究 [ J] 金属学报 , 2001, 37( 8): 852~ 856 Sha m antha C R, N arayanan R, T ensile properties and fractu re toughness o f 18N i M aterials Sc ience and T echno logy , 2003, 19: 117~ 124 超纯净 18N i马氏体时效钢的晶粒尺 寸及其 对拉伸性能的 影响 [ J] 金属学报 , 2002, 38( 1) : 53
带状组织的危害
某电厂一期工程（300 MW×2）主给水管、再热冷段管材质均为进口的st45．8。
其中主给水管工作压力为25．4 MPa、工作温度为278℃；再热冷段管工作压力为4．62 MPa、工作温度为340℃。
到货后经抽样检验发现部分管道组织中存在严重的带状组织。
为确定该批钢管能否安全投运，进行了全面的材质鉴定试验，分析其带状组织形成的原因及危害，并进行了安全性评价。
1带状组织形成的原因及其危害1．1带状组织形成的原因金属材料在冶炼浇注后绝大部分要经过压力加工方可成为型材。
但是，加工后的材料容易得到沿着变形方向珠光体和铁素体呈带状分布的组织，即形成带状组织。
形成带状组织的原因各不相同，归纳起来大致有2种原因：a．由成分偏析引起的带状组织。
即当钢中含有磷等有害杂质，压延时，杂质沿压延方向伸长。
当钢材冷至Ar3以下时，这些杂质就成为铁素体的核心使铁素体形态呈带状分布，随后珠光体也呈带状分布。
这种带状组织很难用热处理的方法加以消除。
b．由热加工温度不当引起的带状组织，即热加工停锻温度于二相区时（Ar1和Ar3之间），铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体被割成带状，当冷却到Ar1时，带状奥氏体转化为带状珠光体，这种组织可以通过正火或退火的方法加以消除。
1．2带状组织的危害带状组织的存在会使金属的力学性能呈各向异性，沿带状组织的方向明显优于其垂直方向。
2主要试验及其结果分析试样取于主给水管料头，炉号为191272，材质为st45．8钢。
2．1化学成分分析（见表1）由表1可见，该材质化学成分符合st45．8钢DIN17 175D标准的要求。
2．2金相试验为便于比较，制作2个试样，正常及带状组织各制1个。
试样经打磨、机械抛光、4％的硝酸酒精化学抛光处理后，分别在金相显微镜下进行观察分析。
正常组织的片状珠光体均匀分布在铁素体之间，无带状组织现象。
图1为带状组织P ＋F，其中珠光体和铁素体呈条带状分布，按照GB／T13299－91标准评为4级。
带状组织
带状组织20#，20G，A106B,A106C的低碳变形钢中，经常发现带状组织缺陷，严重时达到4~5级，对钢管不同部位取样进行检查结果表明，在钢管圆周面带状组织较轻，内孔表面带状组织明显，壁厚1/2处带状组织严重。
在材质相同、工艺相同的条件下，厚壁钢管较薄壁钢管中的带状组织严重带状组织是钢管中的一种缺陷组织，当带状组织严重时，钢管的力学性能出现明显的各向异性，使钢管横向断面收缩率降低较多，，纵向冲击功约相差一倍，钢管的塑形或韧性达不到技术标准要求带状组织的形成原因低碳钢经过热塑性变形（热轧、热锻、热扩）后，截取试样在金相显微镜下观察，可以看到在钢的主伸长变形方向分布有铁素体与珠光体相间的平行条带状偏析组织，称为带状组织《国外金属热处理》1986年第六期增刊中资料介绍，在含0.10%~0.35%的碳钢中，含P、Mn、Si、O、N元素较多的钢，在钢锭浇注过程中，容易形成枝晶偏析，如果再经过热塑性变形时，就延伸称为铁素体和珠光体交替的条带，形成带状组织。
若钢中存在提高A3相变点的元素（P、Si），则在冷却时，形成初生铁素体的晶核而形成铁素体带，反之若存在降低A3相变点的元素（Mn），则形成珠光体带，从而形成带状组织在热扩钢管时，把低碳钢原管加热到Ac1~Ac3两相区范围时，此时钢的显微组织为奥氏体和部分固溶的铁素体。
在扩管热形变时，奥氏体和铁素体沿塑性方向被拉长，在随后的冷却过程中，没有固溶的铁素体不会发生转变而被保留下来，奥氏体在冷却过程中析出少量的铁素体，当冷到共析温度后，转变为共析产物珠光体。
在室温金相显微镜下观察，铁素体为白色，而珠光体呈灰黑色，因此出现了白黑相间的条带状，这就是低碳变形钢热扩钢管中的带状组织带状组织消除机理低碳变形钢的室温组织为铁素体+珠光体，如果存在带状组织即为铁素体+珠光体交替的条带状组织。
具有带状组织的低碳钢无缝钢管，从室温加热到正火温度，当通过Ac1温度时，则共析组织发生转变，珠光体转变为奥氏体。
带状组织
带状组织一、带状组织定义若钢在铸态下存在严重的偏析和夹杂物，或热变形加工温度低，则在热加工后钢中常出现沿变形方向呈带状或层状分布的显微组织，称为带状组织。
低碳合金钢中的带状组织是指沿钢材轧制方向形成的，以先共析铁素体为主的带与珠光体为主的带彼此堆叠而成的组织形态[6]。
二、带状组织的形成机理由于钢液在铸锭结晶过程中选择性结晶形成化学成分呈不均匀分布的枝晶组织，铸锭中的粗大枝晶在轧制时沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一致，从而形成碳及合金元素的贫化带(实质上是条)和贫化带彼此交替堆叠，在缓冷条件下，先在碳及合金元素贫化带(过冷奥氏体稳定性较低)析出先共析铁素体，将多余的碳排入两侧的富化带，最终形成以铁素体为主的带；而碳及合金元素富化带(过冷奥氏体稳定性较高)，在其后形成以珠光体为主的带，因而形成了以铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此交替的带状组织。
成分偏析越严重，形成的带状组织也越严重。
由于带状组织相邻带的显微组织不同，它们的性能也不相同，在外力作用下性能低的带易暴露出来，而且强弱带之间会产生应力集中，因而造成了总体力学性能降低，并具有明显的各向异性。
三、带状组织的形成条件带状组织分为一次带状组织，和二次带状组织。
一次带状组织由钢锭浇铸时树枝状偏析造成，二次带状组织由轧制或锻造过程中产生的。
形成带状组织的原因各不相同，归纳起来大致有2种原因：a．由成分偏析引起的带状组织。
即当钢中含有磷等有害杂质，压延时，杂质沿压延方向伸长。
当钢材冷至Ar3以下时，这些杂质就成为铁素体的核心使铁素体形态呈带状分布，随后珠光体也呈带状分布。
这种带状组织很难用热处理的方法加以消除。
b．由热加工温度不当引起的带状组织，即热加工停锻温度于二相区时（Ar1和Ar3之间），铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体被割成带状，当冷却到Ar1时，带状奥氏体转化为带状珠光体，这种组织可以通过正火或退火的方法加以消除。
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低碳合金钢中带状组织的成因、危害和消除
刘云旭
(吉林工学院材料工程系，长春 130012)
摘 要：研究了低碳合金钢中带状组织和混晶组织形成的原因、对钢材质量的影响和消除方法。
结果表明，这两种组织主要是钢中的成分偏析引起的，而且常成因果关系。
带状组织会降低钢的力学性能、切削加工性能和塑性成形性能，带状组织中的合金元素偏析，在常规退火、正火、淬火、渗碳加热条件下难以消除。
采用电渣重熔、快速结晶、增大锻造比和扩散退火等技术，可以减轻或避免钢材带状组织的形成。
关键词：低碳合金钢；带状组织；混晶组织
1 引言
低碳合金钢(包括渗碳钢)中的带状组织是指沿钢材轧制方向形成的，以先共析铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此堆叠而成的组织形态[1，2]。
混晶组织是指在热处理加热奥氏体化后获得了大小相差悬殊，粗细晶粒共存的组织形态。
它们都是经常出现的钢材的缺陷性组织。
由于我国的一些机械制造企业，对这种缺陷性组织的危害认识不足，材料入厂对其未作检查，而在产品加工过程中或制成后，因带状组织超标、混晶组织严重，满足不了用户要求时，在对热处理能否消除这种组织缺乏理性认识的情况下，要求热处理部门予以解决，并要求设备制造工厂带有消除或改善这种组织功能的预先热处理设备，常因达不到要求而发生纠纷。
应一些企业之约撰写此文，拟从这种缺陷性组织形成原因，对制件的危害和减轻或消除技术等方面予以说明。
2 试验
试验用钢为汽车渗碳齿轮常用的低碳合金钢，其钢号及化学成分列于表1。
从30CrMo钢汽车齿轮锻坯切取试样，平行轴线方向的显微组织如图1所示，可以看出带状组织形貌，其中白色为先共析铁素体，灰黑色为细珠光体加贝氏体。
将此试样经1000℃×1h→640℃×1h等温处理，其显微组织如图2所示。
可以看出，已无贝氏体，但带状组织形貌仍然存在，而严重程度有所减轻。
图1 30CrMo钢锻坯的显微组织 ×250 图2 30CrMo钢等温正火后的显微组织 ×100将具有带状组织的试样，进行930℃×4h气体渗碳淬火，用热侵蚀法显示原奥氏体晶粒，其形貌如图3所示。
可以看
出是晶粒大小相差悬殊的混晶组织，而且其大小按带状分布，小晶粒处有粒状碳化物存在。
为了对比起见，在同炉号20CrMnTi钢材中，选择铁素体和珠光体比较均匀的棒料(A)和带状组织较为严重的棒料(B)制成试样(两者的化学成分基本相同，A的平均成分见表1，B的平均成分与A相比，+0.01%C，-0.1%Mn，-0.035%Ti，
+0.001%S，+0.005%P)，经940℃正火后在连续渗碳炉中随汽车零件一起进行渗碳淬火，观察表层显微组织发现，A为均匀分布的细针状马氏体加少量残留奥氏体，相当于ZBT4001-88金相标准中的3级，B有粗大针状马氏体和大量残留奥氏体，相当于标准中的6级。
用热浸法显示奥氏体晶粒，A为比较均匀的细小晶粒，B为粗细不均的混晶组织。
用Q-920图象分析仪对其晶粒尺寸的分布进行了测定，结果如图4所示。
可以看出，A的晶粒度大多数为7～9号，B最大晶粒为2号，最小为11号，即具有严重的混晶现象。
用扫描电镜和能谱仪垂直带状组织进行线扫描测定Mn的分布，表明分布是不均匀的，随着带状组织中组织不同而波动，在以铁素体为主的带中含Mn低，在以珠光体为主的带中含Mn高[3]。
图3 30CrMo钢渗碳淬火后表层的晶粒形貌 ×250 图4 20CrMnTi钢正常组织(A)
和带状组织(B)渗碳淬火后的晶粒大小和分布
1 正常组织(A)
2 带状组织(B)
将带状组织比较严重的20CrMnTi钢，制成U形缺口冲击试样，分别经930℃和1200℃奥氏体化淬火，200℃回火，进行系列冲击试验，其结果如图5所示。
可以看出，1200℃比930℃奥氏体化淬火具有高的常温冲击韧度和低的脆性转化温度。
930℃淬火试样断口附近的显微组织如图6所示。
可见试样具有混晶组织，而且裂纹沿晶界扩展。
1200℃淬火试样，由于奥氏体化温度很高，使钢中的带状成分偏析减轻，获得了大小均匀的晶粒，虽然晶粒比较粗大，但仍获得了较高的冲击韧度。
图5 带状组织20CrMnTi钢930℃和1200℃ 图6 带状组织20CrMnTi钢930℃淬火200℃
奥氏体化淬火200℃回火后的系列冲击韧度 回火后冲击试样断口附近的显微组织 ×200
1.930℃
2.1200℃
3 讨论
由于钢液在铸锭结晶过程中选择性结晶形成化学成分呈不均匀分布的枝晶组织，铸锭中的粗大枝晶在轧制时沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一致，从而形成碳及合金元素的贫化带(实质上是条)和贫化带彼此交替堆叠，在缓冷条件下，先在碳及合金元素贫化带(过冷奥氏体稳定性较低)析出先共析铁素体，将多余的碳排入两侧的富化带，最终形成以铁素体为主的带；而碳及合金元素富化带(过冷奥氏体稳定性较高)，在其后形成以珠光体为主的带，因而形成了以铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此交替的带状组织。
成分偏析越严重，形成的带状组织也越严重。
由于带状组织相邻带的显微组织不同，它们的性能也不相同，在外力作用下性能低的带易暴露出来，而且强弱带之间会产生应力集中，因而造成了总体力学性能降低，并具有明显的各向异性[4]。
具有带状组织的钢件，热处理时需要重视碳及合金元素在奥氏体中的均匀化问题。
通常完成奥氏体转变(铁素体消失)比较容易，但欲使碳特别是合金元素均匀化是相当困难的。
通常碳的均匀化需要在950℃以上，合金元素的均匀化则需要在1100℃以上。
均匀化时间受带状组织带宽、带间浓度差和要求均匀化程度而定。
以带状组织带宽0101cm、带间Mn
的浓度差为016%，要求减小至014%为例，在1100℃下需要的扩散时间可用下式求得：
式中C和C0为均匀化处理后和前的浓度差；D为均匀化元素的扩散系数(Mn在1100℃为2×10-11cm2/s)；t为扩散时间s；l为带的宽度cm。
结果得出t=2.06×105s，即5.72h。
低碳合金钢制件热处理加热温度，一般都在950℃以下，因此不可能消除带状组织中的合金元素偏析。
但是可采用电渣重熔[4]，增大钢液结晶速度、增大锻造比、提高终轧(锻)温度和扩散退火等技术来避免或减轻。
虽然常用热处理不能消除合金元素偏析，但可使碳趋于均匀化，在这种情况下，如果采用较快的冷却速度，使过冷奥氏体在较低温度下转变，碳不能或不能充分扩散到碳化物形成元素富化区，因而可以看不出(如淬火)或改善(如等温正火)带状组织形貌，但合金元素偏析的危害依然存在，如果再加热奥氏体化缓冷，仍然会形成带状组织。
如果奥氏体中合金元素含量不均匀，将导致其晶粒长大倾向不一，碳化物形成元素富化区易残留未溶碳化物和降低碳原子扩散速度而抑制晶粒长大，贫化区晶粒则容易长大，故易出现混晶组织。
淬火时合金元素贫化区的淬透性低，易形成非马氏体组织。
渗碳淬火时混晶中的粗大晶粒形成粗大针状马氏体加大量残留奥氏体。
因此，带状组织在常规热处理之后，都具有较低的力学性能。
此外，因成分偏析引起膨胀系数和相变前后比容差异增大，使零件淬火变形增大。
4 结论
(1)低碳合金钢中的带状组织是钢锭中粗大枝晶偏析在轧制过程中形成的。
可用电渣重熔、增大结晶速度、提高终轧温度、增大锻造比或扩散退火来改善或避免。
(2)带状组织造成了钢的各向异性，降低了力学性能、切削性能、塑性成形性能和淬透性，淬火后易形成混晶组织和非马氏体组织，使零件淬火变形倾向增大，强韧性降低。
(3)采用常规热处理如退火、正火、淬火、渗碳等，因不能消除带状组织中合金元素偏析，虽然快冷可抑制碳的不均匀分布，不出现或减轻带状组织，但重新加热缓冷时又会形成带状组织。
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