完整版50CrMnVA钢静态连续冷却相变研究毕业设计Word文档格式.docx

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热模拟；

显微组织

Thestaticthermalsimulationanalysisoncontinuouscoolingphasetransformationofthe50CrMnVAsteel

Abstract

Withtherapideconomicdevelopment,marketdemandforthemechanicalpropertiesofsteel,gascontent,inclusions,andotheraspectsofdecarbonizationareconventionalspringsteel,istypicalofautomotive,chemicalcontainers,theexistingnationalspringsteelandisagreatdemandforthispaper,thefirstChinesecarcompanyprovides50CrMnVAsteelforthestudy,inFormastor-FII-automaticinstrumentfortheexpansionphasechangeonastaticthermalsimulationexperimentwithdifferentcoolingrates,theuseofthermalexpansionofthelawandobservethemicrostructureandstaticcontinuouscoolingtransformationcurve,namelystaticCCTcurvesofsteelinstaticexperimentsstudiedthecontinuouscoolingtransformationprocessofmicrostructureevolution.

Theresultsshowthat:

（1）CCTcurveofthesteelregionincludingthetransitionregion,thetemperatureinthetransitionregionandlowtransitionregionintothreeparts.Mainlytransformationproductsofferrite,pearlite,bainiteandmartensite.Andwiththeincreaseofcoolingrate,changingthestartingtemperatureofferrite,pearliteandbainitearereduced.

（2）transformationproductswithachangedcoolingrateischanged.Whenthecoolingrateislessthan0.25℃s,thesteelphasetransformationexperimentsorganizationverysmallamountofpearliteandferrite.At0.5℃scoolingrate,themicrostructureofpearlite,bainite,andverysmallamountsofferrite.Whenthecoolingratereaches0.75℃s,phasechangepearliteandbainite.Whenthecoolingrateof1~2℃s,phasechangebainiteandmartensite.Whenthecoolingrateexceeds5℃s,organizedasasinglevariablephasemartensite.

（3）Withtheincreaseofcoolingrate,thephasetransitionfromthesteeltissueexperimentsferriteandpearlite,pearliteandbainitegradualtransitiontothefinalphaseforthesinglemartensite,whileVickers;

thermalsimulation;

microstructure

50CrMnVA钢静态连续冷却相变转变行为研究

第1章绪论

1.1弹簧钢的发展史

1.1.1国外弹簧钢的发展历程

国外合金弹簧钢生产起步较早，在生产设备、新工艺、新技术研究、产品质量控制等方面均比国内先进，如粗钢供应均采用大电炉或高炉—转炉流程，在用电炉做初炼炉时，对所用废钢进行精选，从而保证粗钢中的参与元素处于较低的水平；

对电炉采用喷粉脱磷的无渣出钢技术；

转炉钢进行真空除渣，以降低磷含量和防止氧化渣进入精炼炉；

在LF精练的基础上采用RH真空脱气工艺；

连铸坯断面尺寸普遍大于国内特钢厂，通过大的压缩比来改善或消除由铸造造成的部分缺陷，采用多级电磁搅拌，减少连续性偏析与锻造缺陷；

采用轻压下、大直径辊强压下和连续锻压等液相穴压下技术减少偏析；

在精整热处理方面，具有完善的精整热处理转杯和质量保证体系。

提高弹簧设计应力、减轻弹簧重量是弹簧的发展方向。

影响弹簧钢设计应力的两个主要因素是抗疲劳性能和抗弹减性能，新一代超高强度弹簧钢具有以下特征：

①超高强度；

②超高疲劳强度和耐腐蚀疲劳性能；

③优良的抗弹减性能；

④良好的经济性。

目前国外轿车螺旋悬挂弹簧已开始普遍采用设计应力为110~120kgfmm2的新一代弹簧钢。

这种弹簧钢将是今后汽车用弹簧钢的主流[1]。

美国弹簧钢的种类较多，经常使用的钢号是9260、9254、6150、5160，尤以5160（H）和9260应用最广。

许多年来5160是美国螺旋悬架弹簧钢的主要钢种，当对抗弹减性能要求较高时，选用了9260钢。

人们早已知道抗弹减性能与钢中的硅含量成正比，然而硅促进铁素体的形成（脱碳）。

出于这样的考虑，开发应用了9259钢，其硅含量中等，具有良好的抗弹减性能。

目前9259弹簧钢是北美的主要螺旋悬架弹簧钢。

由于9254钢比9259钢的硅含量高，可提供更好的抗弹减性能，北美油回火钢丝工业多年未采用9254钢生产所有的冷卷弹簧，日本同样采用9254钢生产 

热卷悬架弹簧。

9254钢在北美和日本的用量正在逐步增大。

任何一个螺旋悬架弹簧都要经历淬火和回火处理而得到马氏体组织，硬度一般在HRC48―51范围内。

弹簧在工作状态时承受剪切应力，弹簧表面的工作应力最大，从而对表面的缺陷十分敏感。

弹簧表面经喷丸处理后得到压应力，这样表面的压应力最大，从而内部缺陷成为断裂的根源。

钢的疲劳强度随着强度的增高而增大，但是当钢的强度达到一定时，疲劳强度与强度的直线关系存在与否取决于钢中夹杂物的存在。

此时夹杂物的存在将降低钢的疲劳强度，因此控制钢中夹杂物的组成、形态和分布成为高强度弹簧钢生产的重点[2]。

从汽车减重出发，在过去的十年中，美国数个公司独立研究开发了微合金超高强度弹簧钢。

与上述的目前常用弹簧钢相比，微合金超高强度弹簧钢的抗拉强度可达2000MPa，同时疲劳寿命和抗弹减性能保持不变或更好。

结果是在成本提高不多的前提下，获得了减重和节省空间的效果。

微合金超高强度弹簧钢的目标是在正常的热卷冷卷工艺下满足下列要求：

1、硬度为HRC52--55时具有良好的塑性；

2、较目前的钢种有更好的疲劳性能；

3、较目前的钢种有更好的抗弹减性能。

研究开发微合金超高强度弹簧钢的思路有两种：

一是在现在的9259钢或9254钢中添加微合金元素，如92V54钢；

另一各是借鉴航空用超高强度钢的经验，将碳含量降低并添加钒和铌，如92V45钢。

微合金超高强度弹簧钢与基础的9259钢相比，减轻弹簧重量达16%。

在新钢种开发中，除了应重视耐疲劳性能，抗弹减性能和淬透性，还应重视耐蚀性能。

在冬季，寒冷地区常采用撒盐去除公路上的积雪。

这种雪水喷浅到悬架弹簧上，使悬架弹簧表面出现腐蚀坑和裂纹，在应力作用下会导致腐蚀疲劳破坏。

因而应重视这些地区使用的悬架弹簧的表面腐蚀问题，特别要提高弹簧钢的耐腐蚀疲劳性能。

国外现有弹簧钢钢号比较齐全，力学性能、淬透性和疲劳性能等基本上可以满足目前的生产和使用要求。

在日本弹簧钢总产量中，Si-Mn系（SUP6、SUP7）和Mn-Cr系（SUP9、SUP9A）的产量约占80％以上，它们几乎各占总产量的50％和40％。

目前，国外除开发新钢种满足提高的性能指标外，注意力正集中在如何充分发挥现有弹簧钢的潜力上，如改进生产工艺、采用新技术、对成分进行某些调整等，进一步提高其性能，扩大应用范围。

1.1.2国内弹簧钢的发展历程

中国的弹簧钢在20世纪50年代曾参照前苏联的弹簧钢牌号，主要为Si-Mn系弹簧钢存在淬透性低的缺点，随着国民经济的快速发展，已不能满足中国工业发展的需要，后经1977年、1984年两次修订，删除了一些无用的牌号，增加了高淬透性Cr-Mn簧钢生产经过50多年的发展，从无到有，不断发展壮大，取得了很大的进步[9]。

上海五钢、太钢、兴澄特钢、东北特钢等企业近年来新建或改造完善了几条先进的弹簧钢生产线，采用“电炉初炼→LF精炼炉→VD真空脱气→连铸→连轧”的工艺生产各种牌号的合金弹簧钢，使弹簧钢的生产技术水平有了较大的进展。

另外一些企业也表现出强劲的发展势头，比如江苏沙钢淮钢特钢、莱芜特钢、石钢等。

尤其是淮钢特钢公司的铁道压簧、扣件用弹簧钢市场占有率在80%。

经过很多年的研究，研究出了很多合金弹簧钢，如50CrMnVA、60Si2Mn、50CrVA、30W4Cr2VA等[3]，但也有一些弹簧钢生产企业钢产量逐渐萎缩，竞争力越来越弱，其主要原因由以下几个方面：

（1）弹簧钢产品质量和价格缺乏市场竞争力；

（2）产品专业化程度低，品种结构不合理；

（3）弹簧钢的生产工艺和技术装备落后；

（4）先进弹簧钢技术的研究和开发力量薄弱。

宝钢经过很多年的发展，也研究出了自己的生产流程，具有了强化精练操作，采用结晶器电磁搅拌，改进脱氧工艺，合理控制连铸坯拉速和中间包钢水过热度、控制轧制等一些特点，它们生产的弹簧钢具有钢制纯净、偏析量小，脱层碳浅，表面质量优良的特点，在国际上都尚处于领先地位。

同时江苏淮钢山东青钢江苏南钢都有属于自己的生产流程，它们都说明中国在弹簧钢技术的不断追求。

1.2弹簧钢的生产工艺

弹簧钢比较难于连铸，由于碳含量高，钢中碳和杂质元素磷、硫的宏观偏析比较严重，铸坯的凝固收缩率高，因而造成很大的中心缩孔。

此外，钢中的Al很容易与氧反应生成Al2O3，沉积在水口壁堵塞水口，在浇铸时堵塞水口现象比较严重。

国内、外钢厂冶炼弹簧钢通过控制非金属夹杂物形态、降低磷和硫含量，提高钢的纯净度，得到高质量的终点钢水。

精炼过程中应控制精炼时间，采取控白渣及吹Ar搅拌等操作防止钢水二次氧化。

为实现弹簧钢的连铸，在连铸过程中有必要深入研究钢水过热度、拉坯速度和F段电磁搅拌强度等工艺参数的合理配合，以减轻或基本上消除中心偏析，采用全保护浇注、钢水控温、加双层覆盖剂、稳定拉速、二次冷却水制度、中间包涂料控制等措施，以获得高质量的弹簧钢钢坯。

弹簧钢的连铸具有一系列优点，以连铸代替模铸是弹簧钢的又一发展趋势。

其优点是弹簧钢连铸过程中通过电磁搅拌、低温铸造等，大大减少钢的成分偏析，提高钢质均匀性，减少钢液的二次氧化，改善钢的表面脱碳，连铸钢的组织和性能均匀、稳定，明显优于模铸钢而且金属收得率高，生产效率高，此外连铸与炉外精炼技术相配合，可以很容易地以低的成本将氧质量分数降到比较低的水平，并有效地控制碳及合金元素的含量。

弹簧钢的技术发展是弹簧钢设计应力等性能不断提升的过程。

国内产品在质量上与日本、韩国同类产品相比还有差距，但因价格相对较低，已为相关企业提供制造微型汽车悬架弹簧、面包车悬架弹簧、摩托车减震弹簧等线材。

国内主要合金弹簧线材的生产企业为宝钢、首钢特钢、大连钢厂、上海五钢等企业，宝钢高线厂弹簧钢线材有55SiCr，50CrV，60Si2MnA等，其中55SiCr已经在国内知名轿车上使用。

亚共析弹簧钢轧制分为高温轧制、常规轧制和热机械变形轧制（即控制轧制）。

弹簧钢的轧制大都采用控制轧制，轧制时使用气氛和压力可调的步进式加热炉，严格控制加热温度和均热时间，以减少加热对总脱碳厚度的影响;

采用先进的高速无扭轧机进行轧制，尽可能设计孔型辊缝最小，并让自由表面最小;

采用轧辊孔型设计，轧辊研磨的计算机辅助设计和制造技术，以及闭环张力控制保证轧件的尺寸公差和断面形状;

采用在线修整和检测技术，以保证表面质量，避免出现表面缺陷。

例如，瑞典SKF公司通过杂散磁通技术在线检查钢坯，使用一种专门添加剂研磨技术局部修磨钢锭表面，在严格控制的加热气氛下加热圆形断面钢坯，优化轧机技术及轧辊孔型设计，开发出新的轧辊孔型设计，在后续道次中为卵形配合，从而达到最佳的表面质量。

开发变截面钢板弹簧和锥形棒材弹簧。

生产变截面钢板的方法有切削、锻造和轧制等方法。

从生产效率和成本等方面考虑，轧制法生产变截面钢板较好。

变截面钢板弹簧的应用可使弹簧质量减轻40%~50%。

使用锥形油淬火棒材可解决后悬架负荷变化率大的问题。

1.3弹簧钢的分类

根据GBT13304标准，弹簧钢按照其化学成分分为非合金弹簧钢（碳素弹簧钢）和合金弹簧钢。

1.碳素弹簧钢碳素弹簧钢的碳含量（质量分数）一般在0.62%~0.90%。

按照其锰含量又分为一般锰含量（质量分数）（0.50%~0.80%）如65、70、85和较高锰含量（质量分数）（0.90~1.20%），如65Mn两类。

2.合金弹簧钢合金弹簧钢是在碳素钢的基础上，通过适当加入一种或几种合金元素来提高钢的力学性能、淬透性和其他性能，以满足制造各种弹簧所需性能的钢。

合金弹簧钢的基本组成系列有，硅锰弹簧钢、硅铬弹簧钢、铬锰弹簧钢、铬钒弹簧钢、钨铬钒弹簧钢等。

在这些系列的基础上，有一些牌号为了提高其某些方面的性能而加入了钼、钒或硼等合金元素。

根据生产加工分类，又可分为热轧钢材和冷轧钢材。

热轧（锻）钢材包括热轧轧圆钢、方钢、扁钢、钢板，锻制圆钢、方钢；

冷拉（轧）钢材包括钢丝、钢带、冷拉材（冷拉圆钢）。

除以上所述外，还有一些其他分类方法，例如：

按交货条件要求不同可分为按化学成分（力学性能）交货和按淬透性交货。

按弹簧工作条件可分为承受静载荷弹簧钢、承受冲击载荷弹簧钢、耐高（低）温弹簧和耐腐蚀弹簧钢等。

1.4钢的连续冷却相变

钢的冷却转变比加热转变要复杂得多，它并不都是一个平衡转变的过程，即不能完全根据铁-碳相图来判定。

钢件在室温时的力学性能不仅与加热时奥氏体晶粒大小、化学成分均匀程度有关。

而且在很大程度上取决于冷却时转变产物的类型和组织形态。

冷却方式和冷却速度对奥氏体转变有很大的影响，所以冷却过程是热处理的关键工序，它决定着钢件热处理后的组织与性能。

因此，研究不同冷却条件下钢中奥氏体组织的转变规律，对于正确制定钢的热处理冷却加工艺、控制热处理后的组织与性能具有重要意义。

1.4.1珠光体转变

珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较高的温度范围内进行的转变，珠光体转变是由含0.77%C的奥氏体分解为碳含量很高的渗碳体和碳含量很低的铁素体，转变中同时完成了原子扩散和点阵重构两个过程，珠光体转变可分为形核和长大两个阶段，形核与生长当过冷度不很大时，珠光体核一般在奥氏体晶界上形成，也可在奥氏体晶界处的先共析相上形核，通过纵向或者横向长大。

珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相得机械混合物的相变过程，因此，珠光体是铁素体和渗碳体的混合物。

由于相变在较高的温度下进行，铁、碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。

由于转变温度、过冷度等其他因素影响，珠光体转变会形成片层间距不同的珠光体，在光学显微镜可以分辨的，片层间距为（0.25~1.9μm），称为珠光体；

在光学显微镜下无法分辨的（片层间距为30~80nm），称为屈氏体或者极细珠光体；

片层间距在上述两者之间的，称为索氏体或细珠光体。

根据渗碳体的形态不同，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体。

（1）粒状珠光体由铁素体和粒状碳化物组成，它由过共析钢经球化退火或马氏体在650℃~A1温度范围内回火形成。

其特征是碳化物成颗粒状分布在铁素体上。

（2）片状珠光体层片状珠光体是一种双相结构的组织，是一层铁素体和一层渗碳体的混合物。

它是由高温奥氏体冷却到723℃共析反应后所得到的产物，含碳量为0.77%。

片状珠光体的力学性能主要取决于片间距和珠光体团的直径。

珠光体团的直径和片间距越小，钢的强度和硬度越高[4]。

片状珠光体是渗碳体（碳化物）和铁素体呈片状想建个排列，粒状珠光体是铁素体在基体上分布着碳化物颗粒。

片状珠光体有较高的强度，塑韧性偏低。

片层间距越小，其强度、硬度越高，同时塑性和韧性也可得到适当改善；

而粒状珠光体，取决于粒状渗碳体的大小。

形态和分布。

其具有较高的强度，较好的切削加工性能（塑韧性好）及淬火工艺性能，颗粒越细，强度越高，颗粒越均匀，韧性越好。

在硬度相同的情况下，粒状珠光体的拉伸性能比片状珠光体的好。

并且，片状珠光体是通过钢的退火和正火获得，而粒状珠光体是通过球化退火或者是淬火加回火方式获得[5]。

1.4.2马氏体转变

非平衡条件下，金属和合金中发生的非扩散的晶型转变。

是固态一级相变的一种基本类型。

产物称为马氏体，通常具有板、片状的外形。

基本特征马氏体转变的主要特征为：

（1）宏观形状效应。

不但有体积变化，而且有形状变化。

如图2所示，在母相的自由表（平）面上，转变成马氏体的那块面积发生一定角度的倾斜，并仍保持为平面。

由此带动邻近的母相呈山峰状凸起（另一侧下凹），原始态表面的直线刻痕转入新相后仍为直线，在界面处不断开，保持连续。

（2）非扩散。

生成相与母相成分相同，以共格或半共格界面为生长相界面，故不存在相界面迁移的热激活机制。

形核率和长大速度皆与扩散型转变的热动力学处理结果显著不符。

（3）惯习现象。

生成相的片、板的空间取向不是任意的，而是平行于母相的某个晶面（称为惯习面）。

作为母相的一个原子面，惯习面在相变过程中既不畸变，也不转动，是不变平面。

图3是对图2的局部作进一步标注，a’b’曲面发生转动，面积也有变化；

但AB线段长度不变，方向也不变。

作为母相的一个原子面，ABCD在相变过程中既无畸变，又不转动，连位置都没有变化（称中脊面）。

a’b’c’d’和abcd两面仅有平移，无畸变及转动。

惯习面是母相中与ABCD同族的晶面，马氏体片只能在这族晶面的空间方位产生。

研究表明，钢中马氏体的形态多种多样，但就其单元的形态及亚结构的特点来看，最主要的是板条状和片状马氏体，其余尚有蝶状、薄板状及六方马氏体等几类。

（1）板条状马氏体

板条状马氏体是在低、中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢、Fe-Ni合金中形成的一种典型的马氏体组织，其特征是每个单元的形状呈窄而细长的板条，并且许多板条总是成群地、相互平行的连在一起，故称为板条状马氏体，又因这种马氏体的亚结构主要是位错，其位错密度为（0.3~0.9）×

1012cm-2，故也称为位错马氏体。

（2）片状马氏体

片状马氏体是在中、高碳（合金）钢及Fe-Ni（大于29%）合金中形成的一种典型的马氏体组织，其特征是相邻的马氏体片一般互不平行，而是呈一定的交角排列，它的空间形态呈双凸透镜片状、故简称为片状马氏体，由于它与试样磨面相截而往往呈现为针状或竹叶状，故也称为针状或者竹叶状马氏体，又由于这种马氏体的亚结构主要为孪晶，故还有孪晶马氏体之称。

马氏体具有很高的硬度，其硬度主要取决于碳含量，而合金含量的影响较小。

位错型（板条状）马氏体具有相当高的强度、硬度和良好的塑性、韧性，既有高的强韧性；

而孪晶型（片状）马氏体则强度、硬度很高，塑性、韧性很低。

因此通过各，种手段，在保证足够强度、硬度的前提下，尽可能减小孪晶马氏体的数量，是改善强韧性，充分发挥材料潜力的有效途径[6,7]。

1.4.3贝氏体转变

贝氏体转变时过冷奥氏体在介于珠光体转变和马氏体转变温度区间的一种转变，又简称为中温转变。

大体上可把贝氏体描述为由条片状铁素体和碳化物（有时还有残余奥氏体）组成的飞片层状组织，以示与珠光体这种片层状组织相区别。

实际上，这一定义仍是不完善的。

由于贝氏体中铁素体和碳化物的形态与分布情况多变，使贝氏体显微组织呈现为多种形态。

据此，通常可将其分为：

上贝氏体；

下贝氏体；

无碳化物贝氏体；

粒状贝氏体；

反常贝氏体；

柱状贝氏体等。

其中以上贝氏体、下贝氏体最为常见，粒状贝氏体次之，其余较为少见。

现分别简述如下。

（1）上贝氏体上贝氏体是在贝氏体转变区较上部的温度范围内形成的。

它是由成束的、大体上平行的板条状铁素体和条间的呈粒状的渗碳体所组成的非片层状组织。

当其转变量不多时，在光学显微镜下，可以看到成束的条状铁素体自晶界向晶内生长，形似羽毛，故有羽毛状贝氏体之称，此时无法分辨其条间的渗碳体。

但在电子显微镜下，可较为清晰地看到上贝氏体中的铁素体和渗碳体的形态。

（2）下贝氏体下贝氏体是在贝氏体转变区下部温度范围内形成的，它也是由铁素体和碳化物构成的复相组织，在低碳钢中，这种被尸体铁素体的形态通常呈板条状，若干个平行排列的板条便构成艺术，与板条状马氏体很相似，在高碳钢中，贝氏体铁素体则往往呈片状，各个片之间互成一定的交角，与片状马氏体很相似。

而在中碳钢中，则两