含钒中碳钢奥氏体的连续冷却相变

万方数据
任安超赵隆崎周勇：含钒中碳钢奥氏体的连续冷却相变
３
冷却速度分别为２℃／ｓ和３０℃／ｓ。
图３钢不同冷却速度下的组织 ａ）Ｍ ｂ）Ｂ ｃ）Ｆ＋Ｐ＋少量Ｂ Ｄ）Ｆ＋Ｐ
对十种冷却速度下的试样通过洛氏硬度计进 行硬度检验，所得到的硬度值如表１所示。
表ｌ含钒中碳钢在不同冷却速度下 试样所得到的硬度值（ＨＲｃ）
第２０卷第２期 ２００８年６月
武汉工程职业技术学院学报 Ｊ０１ｌｒｎ－ｌ ｏｆⅥ，ｕｈ¨ＥｎｇｍｅｅｒｍｇLeabharlann BaiduＩｎ。ｔ小吐ｃ
Ｖｏｌ １９ＮＯ ２ Ｊｕｎｃ ２００８
含钒中碳钢奥氏体的连续冷却相变
任安超 赵隆崎 周 勇
（武汉钢铁（集团）公司研究院湖北武汉：４３００８０）
摘要采用ＴＨＥ砌ⅥＥＣＭＡＳＴＯＲ—Ｚ热模拟试验机研究了含钒中碳钢变形奥氏体在连续冷 却过程中的相变规律，用膨胀法结合金相以及硬度建立了该钢的连续冷却转变曲线（ａｃＴ）。结果 表明：该钢的奥氏体化温度为９２０℃。当连续冷却速度小于２℃／ｓ时得到的组织为铁素体＋珠光 体，大于２℃／ｓ时出现贝氏体和马氏体组织，可把２℃／ｓ作为轧后控冷的临界温度。这就为制定含 钒中碳钢加热制度和控冷工艺提供了基本条件。 关键词 含钒中碳钢；热膨胀法；ＣＣＴ曲线 中图分类号：ＴＧｌ５１．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—３５２４（２００８）０２一Ｏ００１—０３
试样编号
１
２
３
４
５
６
７
８
９
１０
硬度
５０ ４８ ４ｌ
３４ ２８ ２５
２７ ２５
２ｌ
１７
图３为试验钢试样分别在冷却速度为５０℃／ｓ、 ３０℃／ｓ、２℃／ｓ、ｌ℃／ｓ的金相组织（×４００），它们的金 相组织分别是Ｍ、Ｂ、Ｆ＋Ｐ＋少量Ｂ、Ｆ＋Ｐ，它们对 应的硬度值（ＨＲｃ）为５０、４８、２８、２５，硬度值和组织 是相符合的，组织和试验钢的ＣＣＴ图所表示的也完 全相当，表明所测试的试验钢的ＣＣＴ图是基本准确 的。
［３］ 朱文艺，基于网络的数控设备故障智能诊断系统［Ｄ］．硕士论 文，保存地点：华中科技大学图书馆．
Ｃｏｎｔｒｏｌ＆Ｆａｕｌｔｓ Ｓｅｔｔｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＣＮＣ Ｔｏｏｌ ７ｓ
Ｓｐｉｎｄｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｃｏｎｔｒｏ¨ｅｄ ｂｙ Ａｎａｌｏｇ Ｑｕａｎｔｉｔｙ
ＺＨＵ Ｗｅｎｙｉ ＤＵＡＮ Ｍｉｎｇｚｈｏｎｇ ＷＡＮＧ Ｔｉｎｇｔｉｎｇ
图２含钒钢的Ｃ（一曲线
１ ０００００
２．３不同冷却速度下的显微组织及组织硬度 由图３可见，当连续冷却速度大于５０℃／ｓ时，
连续冷却曲线只与马氏体转变线相交，得到的组织 全为马氏体；当连续冷却速度在４５～１０℃／ｓ左右时 冷却时，连续冷却曲线２、３、４冷却时只与贝氏体转 变起始线和转变终了线相交，得到的组织为贝氏体， 就温度范围来分析应为上贝氏体；当连续冷却速度 在１０～２℃／ｓ左右时冷却得到的组织为铁素体加贝 氏体或铁索体加珠光体加贝氏体，即连续冷却曲线 ５和６；当连续冷却速度小于２℃／ｓ左右时冷却得到 的组织为铁素体加珠光体，即连续冷却曲线７、８、９、 １０，冷却时只与铁素体转变起始线和珠光体转变起 始线终了线相交，因此得到的组织为铁素体加珠光 体。
３ 结论
（１）通过膨胀法‘４１测量计算试验钢的奥氏体化
温度为９２０℃，所以在制定该钢的加热制度时加热 温度应高于９２０℃，以便其完全奥氏体化。
（２）试验钢奥氏体的ＣＣＴ产物随冷却速度不同 主要为铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体；当冷却速 度小于２℃／ｓ时，其转化产物为铁素体＋珠光体。 利用实验室分析结果，在大生产中冷却速度小于 ２℃／ｓ得到铁素体＋珠光体组织是可行的。
上，破坏了膨胀量与温度间的线性关系。因此根据 热膨胀曲线上所显示的热膨胀仪状态的变化来确定 相变温度。通过测量，含钒中碳钢的相变临温度 Ａｃｌ为７１５℃，Ａｃ３为７７１℃，Ａｒｌ为６２０℃，Ａｒ３为 ７０５℃。奥氏体化温度根据一般钢的要求应为Ａｃ３ ＋３０～５０℃，但考虑到此钢含有Ｖ合金元素［１］，这 个元素在奥氏体化时需要较高的温度才能使其碳化 物溶人奥氏体，并在随后的冷却中产生沉淀强化。 为了充分发挥Ｖ元素的作用，本试验的奥氏体化温 度定为９２０℃，并保温１５ｍｉｎ。
一。．∥夕‘ ５０
４０
３０
矗２０
妪ｌＯ 量０
·１０
·２０
．３０ ．５００
Ｏ
５００
温度Ｔ
ｌ０００
图ｌ含钒钢的膨胀曲线
’
２．２ ＣＣＴ曲线
由图２可见，该试验钢ＣＣＴ曲线比较复杂，相
变区主要由三部分组成，低温转变区（２００～３００℃）
的相变产物主要是马氏体，它是由Ｍｓ的水平线 （２８０℃）和Ｍｆ的水平线（１８０℃）组成；中温转变区
由图３可见四个典型的冷却速度下的组织。在 奥氏体连续冷却过程中，钢中组织发生转变［３］，在 ｏ．１℃／ｓ～２℃／ｓ之间，随着冷却速度的增加，钢中 珠光体含量在不断增加，铁素体量减少。当冷却速 度较慢时，奥氏体分解的过冷度很小，有足够的时间 进行充分扩散，因此可以得到近似平衡的组织，以珠 光体为主。当冷却速度足够大时，奥氏体来不及进 行扩散转变过程，而直接进入到无扩散转变过程，形 成马氏体组织。由于冷却速度的不同，导致钢中组 织差异很大，试验得到该钢的贝氏体和马氏体临界
拟。这样一种装置的建立，尤其对于那些开办有数 控专业的，重视数控维修技术培训的高等职业技术 院校或者企业的培训机构来说，意义非同寻常。
参考文献
［１］ 刘永久．数控机床故障诊断与维修技术［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，２００６．
［２］ 杨中力．数控机床故障诊断与维修［Ｍ］．大连：大连理工大学 出版社，２００６．
参考文献
［１］Ｍ．ｚｈａｎｇ，Ｌ＾Ｌｉ，Ｒ Ｙ．Ｆｕ，Ｄ＿Ｋｒｉｚａｎ ａｎｄＢＣ Ｄｅｃ００ｍ—
ｔｒａｎｓｆｏｍｔｉｏｎ ａｒＩ．（二ｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｏｏｌｉｎｇ
ｄｉａｇｒ啪ｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆ ｍｉｃ盱ａｌｌｏｙｅｄ ＴＲＩＰ ８ｔｅｅｌｓ口］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉ—
试样制备与试验方法
１．１材料制备 试验用材料采用真空感应炉冶炼，并浇铸成
５０ｋｇ，其化学成分（％）为：Ｏ．３４Ｃ，ｏ．２０Ｓｉ，１．４０Ｍｎ， Ｏ．００５Ｐ，ｏ．００１２Ｓ，ｏ．１２Ｖ。先将钢锭锻打成１３０ｍｍ （宽）×５０ｍｍ（厚）钢坯，再用中８００ｍｍ轧机将钢坯 轧制成厚１８ｍｍ的板材，然后将其加工成中８ｍｍ× １２ｍｍ的圆柱形试样，用于热模拟试验。 １．２试验工艺
收稿日期：２００８∞１－０８
修回日期：２００８－０４—２８
作者简介：任安超（１９７６～），男，博士在读，工程师．研究方向：型钢研制．Ｅ＿眦ｉｌ：¨ｃｈ∞ｒｅｎ＠１６３．∞ｍ
万方数据
２
●＿
武汉工程职业技术学院学报
２００８·２
。——————————————————————————————————————————————————＿—————————————一
（４００～５８０℃左右）的相变产物主要是贝氏体，它是
由贝氏体转变开始线及转变终止线围城的一个封闭
区域；高温转变区（５５０～７５０℃左右）的相变产物主 要是珠光体和铁索体［２｜，它是由铁索体转变开始线
和终了线，以及珠光体转变开始线、终了线和终止线 所组成，其形状像亚共析钢ＣＣＴ曲线的上半部分。
可见，该试验钢在连续冷却过程中的转变比较复杂，
Ｅ＝
＿一
苌６００ ｌ
４００
２００
茶 １·‘ 、
赋： ｜｜Ｉ
ｆｌ
‘～ 、．
漩Ｎ Ｉ｝
∑雠 刈｝ｔ ｔ ‘
《～ ．』 ， 、 １
＼ Ｅ ｌ『
影 ～
吨 Ｊ 一一
勰 ｎ＾｛
、ｊ～
ｖ、－ｊ
肾■瓦
』＾ Ｗｒ
＼
＼
广弋～Ｉ
２
ｌ
ｌ、
ｌ
Ａ：，；ｊｒ Ｊ．Ｃ１：，１
１｝
●＾
０
．Ｉ，．
１
１０
ｌＯＯ
１０００
ｌ ００００
Ｔ１ｍｅ，ｓ
将上述试样沿轴向剖开，经过研磨、抛光后用 ４％硝酸酒精溶液浸蚀，用０ｌｙｍｐｕｓ ＰＭＥ３型光学 显微镜观察和分析组织。将不同冷速冷却后的表面 磨光试样，用洛氏硬度计，检验不同冷速条件下试样 的硬度值。
２试验结果及分析
２．１试验钢相变临界点的测试结果 由图１可见，上面一条曲线是升温过程测量的
Ｌ—Ｔ曲线，用来确定Ａｃｌ和Ａｃ３相变临界点，而下 面一条曲线是降温过程测量的Ｌ—Ｔ曲线，用来确 定Ａｒｌ和Ａｒ３相变临界点。依据钢的低温相（ａ相） 与高温相（７相）比容差很大，当发生转变时，伴有相 转变引起的体积效应迭加在纯粹的热胀冷缩效应
随着社会经济的发展，对材料的性能要求越来 越高。因此在钢铁行业中，采用添加微量的合金元 素来提高钢材的性能的要求越来越迫切。在中碳钢 中加入微量的钒并结合新的工艺来生产性能优良的 钢具有可行性，而研究含钒中碳钢在连续冷却过程 中的相变规律对开发高强度钢以及控制其组织变化 具有重要意义。为此，作者主要研究在中碳钢中添 加Ｏ．０８％一Ｏ．１４％（质量分数，下同）的钒，测算其 奥氏体化温度，分析其奥氏体的连续冷却转变 （ＣＣＴ）曲线及不同冷却速率下的金相组织和硬度， 对该钢的不同冷速下所对应的相变规律进行探讨。 为制定该钢加热制度和控冷工艺提供理论依据
ｎｅｅｒｉｎｇＡ，２００６，４３８—４４０（１１）：２９６—２９９．
［２］Ｇ．Ｐ．ＫｒｉｅＩａａｒｔ ａｎｄ＆ｖａｎ ｄｅｒ ｚｗａａｇ．ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｒｏ＿ｅｕ—
ｆｏ肌ｔｉｏｎ ｔｅｃｔｏｉｄ ｆｅｒｒｉｔｅ
ｕｓｉｎｇ ａ ｍｉｘｅｄ∞ｎｔｒｏｌ ｇｒｏｗｔｈ ｍｏｄｅｌ
［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａＪｌｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ，１９９８，２４６（１—２）ｌ
获得的组织大多为复合组织。 由试验钢的ＣＣＴ图还可以看出，与普通的中碳
钢相比其曲线整体右移，表明该钢的淬透性较好。
由于该钢含有较多的Ｍｎ和Ｖ，它们都是使曲线右
移提高淬透性的元素。Ｍｎ、Ｖ改变贝氏体转变的动
力学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度，降低贝
氏转变上限温度Ｂｓ，Ｍｎ在Ｐａ转变时需要在两象
间重新分配并建立平衡，而其在７象中的扩散速度
较慢，因而铁素体及珠光体的析出被推迟。同纯中
碳钢的ＣＣＴ图相比，珠光体的转变明显右移，而贝
氏体转变改变不大，其主要原因就是因为Ｖ的加
入。Ｖ为强碳化物形成元素，当加热温度高得足以
使Ｖ碳化物完全分解而溶入奥氏体时，由于它降低
碳的扩散速度，自己扩散也需要时间，因而使相变进 行缓慢，增加了过冷奥氏体的稳定性，使ＣＣＴ曲线 右移，并使珠光体转变区与贝氏体转变区分开。在 一定的冷却时能抑制珠光体转变，但对中温转变的 开始温度没有影响。测试ＣＣＴ曲线时的奥氏体温 度为９２０℃，Ｖ的碳化物可以全部溶解，溶解的Ｖ起 着抑制珠光体转变，对贝氏体开始转变没有影响的 作用。所以，试验钢的ＣＣＴ曲线整体右移，出现珠 光体转变区向右移较多，贝氏体区右移很少的形状。
先将热电偶直接焊在试样上，用于测量和控制 模拟过程中试样的温度。然后把试样置于封闭的真
空室内，抽成真空态，防止表面出现氧化对测量膨胀 精度的影响。将试样以１０℃／ｓ的速度加热到 １２５０℃，保温３ｍｉｎ后以１０℃／ｓ的冷却速度冷至 ９２０℃，进行奥氏体化处理，保温１５ｍｉｎ后，以５０℃／ｓ、 ３０℃／ｓ、２０℃／ｓ、１０℃／ｓ、５℃／ｓ、２℃／ｓ、１℃／ｓ、Ｏ．５℃／ｓ、 Ｏ．２℃／ｓ、Ｏ．１℃／ｓ十种不同的冷却速度至室温，记录 冷却过程中的热膨胀曲线，结合金相和硬度观察确定 奥氏体—铁素体、奥氏体一珠光体和奥氏体一贝氏体 一马氏体的相变点，进行ＯＣＴ曲线的绘制。 １．３试样制备
１０４—１１６．
［３］宋维锡．金属学［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９８０ｔ３５８—３７２．
［４］‘ＧＢ５０５７—８６．乍冈的连续冷却转变曲线图的测定方法（膨胀法）
（下转第８页）
万方数据
８
武汉工程职业技术学院学报
２００８．２
然而，上述方案只是针对模拟主轴系统，而且仅仅针 对主轴的部分控制功能的进行了故障设定，还有一 些主轴控制功能，如主轴定向控制、主轴拉刀、松刀 控制等，其故障设定并未实现。并且对于数控机床 的其他各部分来说，在实际工作过程中，也会发生各 种不同类型的故障，如车床的自动换刀装置，加工中 心的自动换刀装置、刀库，进给传动系统等。我们通 过分析，在了解其工作原理，明确其系统结构组成的 基础上，开发出各个子系统的故障设定装置，来模拟 常见的故障，是一件很有意义的事情。最终的目标， 我们将这些独立的系统整合起来，设计一个全面的 机床故障设定装置，实现对机床各种常见故障的模