退火前加热速度对多相组织的影响

        近年来，从地球环保的角度来看，要求减轻车身重量，降低燃耗。同时，从防止车辆事故保护驾乘人员的角度来看，要求强化车身结构。虽然提高车身钢板厚度和增加防撞材料可强化车身，但会增加车身重量。为解决这一相互矛盾的要求，目前正在采取的办法是使用高强度钢板制作车身骨架材料。

        另一方面，钢板的高强度化会导致钢板的冲压成形性变差，因此要求开发成形性好的高强度钢板。为使钢板的性能满足冲压成形性的要求，开发了将显微组织复合化的高强度钢板，如铁素体-马氏体钢板和铁素体-贝氏体钢板。将高强度钢板的显微组织复合化时，重要的是冷轧后的退火条件，有关其影响的研究报告很多。但是，有关将钢板保持至退火温度时的加热速度影响的研究报告却没有。因此，本研究就退火前加热速度对显微组织的影响进行了研究。

1实验方法

        熔炼了化学成分为0.07%C-2.3%Mn-0.02%Nb的钢，在热轧后进行冷轧，制作了热处理实验用的试样。为使Nb碳化物充分溶解，因此热轧时的加热条件设定为在1250℃下保持30min，为使加热后的显微组织变为铁素体-珠光体组织，调整了钢板的卷取温度。在酸洗后，以50%的冷轧率进行冷轧，试制了板厚为1.6mm的热处理实验用钢板。

        对铁素体和马氏体及贝氏体所产生的显微组织的复合化进行了设定，并在以能够容易获得这些显微组织的熔融镀锌作业线为前提的条件下进行热处理实验。设定的退火温度为供试验用钢的Ac3点（820℃）以上的单相区域温度（860℃），并在该温度下保持60s。达到退火温度时的加热速度的变化在3-12℃/s范围内，尽管加热速度变化不同，但都是在保持后的一定条件下进行处理（热处理实验1）。对于热处理后的试样，采用光学显微镜对板厚t/4位置处沿轧制方向断面的显微组织进行了观察，采用电场放射型-电子探针显微分析仪（下称FE-EPMA）分析了元素分布状态。

        为进一步观察加热过程中显微组织的变化，分别以1℃/s和20℃/s的加热速度将试样加热至700℃、750℃直至800℃后，立刻以40℃/s的速度进行急冷的热处理实验（退火实验2）。采用与热处理实验1相同的方法对热处理后的试样进行了显微组织观察及元素分布状态分析。

2实验结果

2.1因加热速度不同而产生的力学特性和显微组织的变化：热处理实验1

        以各种加热速度进行热处理的试样的力学性能，如屈服强度（YS）和屈强比（YR）会因加热速度的不同而产生明显的变化如图1所示。另外，还对不同加热速度下的显微组织的变化进行了观察。结果发现，在加热速度慢的情况下，能看到因里佩拉腐蚀而产生的白色马氏体的百分率比加热速度快的情况下更多。由此可以认为，由于加热速度发生变化，因此即使加热后的热处理条件相同，力学特性和显微组织也会发生变化。

        采用FE-EPMA对这些试样中的C、Mn元素的富集分布进行了测定。结果发现，不论在何种加热速度下，都会形成C的富集区。另一方面，在加热速度慢（3℃/s）的情况下，在测定图中会观察到1μm左右大小的Mn富集。但是，在加热速度快（12℃/s）的情况下，却看不到这种Mn的富集现象。由此可见，加热速度会影响试样热处理后的力学性能和显微组织，尤其是对显微组织中的Mn分布有很大的影响。

2.2加热过程中的显微组织变化和Mn分布状态：热处理实验2

        根据加热过程中的显微组织变化和采用FE-EPMA调查的Mn分布状态变化结果可知，在加热速度慢的情况下，当试样加热至750℃时在显微组织中能观察到马氏体，在急冷后会出现Mn的富集。由此可以推定至少在加热过程中在奥氏体发生相变的温度区域会发生Mn的富集。另一方面，在加热速度快的情况下，即使加热至奥氏体发生相变的温度区域，也没有出现Mn的富集。

        根据以上结果可以判定，在本实验条件下，在加热过程中会发生Mn的富集，且在加热速度慢的情况下，在奥氏体发生相变的温度区域（二相区域）中会发生Mn的富集。

3研究Mn富集

3.1Mn的富集和显微组织的关系

        Mn在奥氏体中的扩散系数非常小，在加热过程中一旦形成Mn的富集，即使在其后的奥氏体温度区域中，也不容易消除，会一直持续到退火后的冷却过程。在这里，如果考虑到冷却过程中显微组织的变化，那么到了冷却停止温度的470℃时，奥氏体会相变为铁素体，在低于冷却停止温度（470-420℃）时，没有相变为铁素体的未相变奥氏体会相变为贝氏体。

        在这里，如果奥氏体中的Mn量增加，向铁素体的相变或向贝氏体的相变就会延迟。由于发生Mn富集的奥氏体发生相变的时间比没有发生Mn富集的奥氏体的长，因此最终会在未发生相变状态下被冷却至Ms点以下的温度，形成马氏体。因此，在发生Mn富集的情况下，显微组织中的铁素体和贝氏体比没有发生Mn富集的减少，而马氏体则呈增加的趋势。

        须藤等人的研究报告指出，在包含铁素体、贝氏体和马氏体的显微组织中，由于马氏体的比例比贝氏体相对增加，因此屈强比会下降。根据图1所见的屈强比的变化可以认为，它反映了加热速度越慢，马氏体就越增加，贝氏体就越减少的状况。

3.2Mn富集的发生机理

        在加热速度比较慢的情况下，在高于两相区域的温度中会形成Mn的富集。因此，在从700℃加热到800℃的过程中，作为Mn的可移动距离，可以根据铁素体中的Mn扩散系数，计算出该温度之间的Mn的平均游离速度。当然，加热速度越慢，Mn的扩散距离越长，加热速度为3℃/s的扩散距离是加热速度为12℃/s的2倍。另一方面，在加热过程中通过对试样进行急冷，测定了在加热过程中的奥氏体量。结果可知，当加热速度为12℃/s时，会很快发生相变；当加热速度为3℃/s时，发生相变的时间是加热速度为12℃/s时的3倍以上，相变慢慢发生。

        当温度升高，相变开始由铁素体向奥氏体转变时，铁素体中的Mn会扩散到奥氏体中。此时，如果奥氏体的相变速度（铁素体-奥氏体界面的移动速度）快时，在相变进行中就不会出现Mn从铁素体扩散到奥氏体中的现象（图2（a））。另一方面，当加热速度慢时，不仅Mn的扩散距离增大，而且界面的移动速度缓慢，结果会促进Mn扩散到奥氏体中（图2（b））。在本研究的实验结果中，只有在加热速度慢的情况下，才能观察到Mn的富集，可以认为就是这个原因所致。但是，由于本研究的试验用钢含有Nb，因此组织细化。与组织没有发生细化的情况下相比，Mn从铁素体向奥氏体的扩散距离变短，可能有助于Mn形成富集，这是今后的研究课题。

4结束语

研究了退火前的加热速度对多相冷轧钢板显微组织的影响，获得如下结论。

        1）加热速度会影响热处理后的显微组织，如果加热速度慢，显微组织中的马氏体比加热速度快的增加。

        2）马氏体组织的增加与Mn向加热过程中产生的奥氏体中的富集有关。如果出现Mn的富集，在其后的冷却过程中奥氏体向铁素体和贝氏体的相变会变慢，在未发生相变的状态下被冷却至Ms点以下的奥氏体会增加，这是它们变成奥氏体的缘故。

        3）在加热速度慢的情况下，容易发生Mn向奥氏体的富集。可以认为这是因为当加热速度快时，铁素体/奥氏体界面的移动速度会变缓，而且Mn在铁素体中的扩散距离会变长，因此Mn会从铁素体向奥氏体扩散。

        本研究结果作为控制高强度钢板和镀锌钢板复合组织的技术来说是很重要的，利用这些研究结果有助于进一步开发出高性能的高强度钢板。（廖建国）

信息来源：世界金属导报