基于硬度测量结果的微观组织成分识别及其对钢力学性能的影响研究

基于硬度测量结果的微观组织成分识别及其对钢力学性能的影响研究

基于

基于硬度测量结果的微观结构识别

在各种文献中，已经对微观结构对钢的机械性能的影响进行了充分的研究和报道。在大多数情况下，光学显微镜或扫描电子显微镜可用于简单地识别微观结构组件。但是，对于使用热机械控制滚动（TMCP）技术生产的钢产品，尤其是在贝氏和复杂阶段，很难区分钢铁产品的结构类型。在这项研究中，使用微硬度测量来识别TMCP技术生产的碳钢的微观结构组成，可以轻松地将其应用于生产环境中，以实现快速可靠的在线质量控制。

已经报道了许多关于钢的微观结构及其对机械性能的影响的评论和文章。 [1〜4]在大多数情况下，研究人员得出结论，如果不关注机械性能的产品的微观结构，就无法满足现代材料的要求。微观结构的影响在管道输送和汽车行业的钢生产中尤其重要，因为它不仅需要高强度性能，而且需要高韧性和高延展性。通常，使用该等级时，使用低碳或中碳组分时，合金元素包括Mn，Si，Cr，Ni，Ni，Mo等。这种类型的钢通常由微合金元素NB，V或Ti制成。此外，现代钢铁厂采用受控滚动或热光控制滚动（TMCP）技术，并补充了加速冷却系统。这些方法对形成各种结构成分的形成有重大影响，例如铁素体，珠光体，马氏体以及各种形式的贝氏和针状铁氧体。

不同的仪器，例如光学显微镜，扫描电子显微镜（SEM），电子反向衍射，透射电子显微镜或X射线衍射，可用于检测和识别这些微观结构。除了光学显微镜外，这些技术的使用还耗时和劳动力密集。因此，光学显微镜主要用于工业环境和实验室研究，以确定显微结构成分的类型。由于其中一些在光学显微镜下具有相似的形态结构，因此区分不同的微观结构非常重要。例如，有时很难仅用光学显微镜来区分颗粒状的贝氏和准铁矿。在这种情况下，需要更高级的研究方法来识别这些微观结构成分，这在金属学研究中是定性特征的典型特征。与分析相比，这是一种基于目标数据的方法。在这项研究中，使用硬度仪表来识别每个微结构分量的微观硬度。

材料硬度测量的普及主要是由于评估的简单性和速度以及简单且实用的样品制备，该样品的制备已用于测量材料的机械性能，主要用于热处理和质量控制过程。当具有较高硬度的物体（例如硬度表凹入器）接触样品时，显微硬度是指样品表面层对局部变形的电阻。由于测量显微硬度的方法是评估很小（微）体积材料的硬度，因此它是评估微观结构组成的理想方法。

实验

在这项研究中，使用方法（HV）测量了钢样品的硬度和微硬度。使用10和25 g载荷评估微硬度值。此外，将这些结果与在一系列标准载荷为1-10 kg的测试中测量的硬度值进行了比较。两种情况都使用标准停留时间为10秒。不同等级的钢样品含有超低碳，低碳和中碳成分，以及一组高强度的低合金（HSLA）钢样品。

结果与讨论

样品制备，蚀刻和适当的设备操作需要无偏硬度数据，重要的是要记住，测试结果可能会受到任何施加力较小的表面缺陷以及采样操作的显着影响。诸如工作硬化或热区域的影响。因此，用于微硬度测量的样品的制备必须包括磨削和抛光步骤，直到满足镜质量要求以最大程度地减少所谓的工作硬化层为止。 [7]由于硬度结果也取决于对压痕标记的准确测量，因此在这里起关键作用。

在讨论相硬化对机械性能的影响时，应注意的是，在FE-FE3C图的区域中，只有四个公认的阶段存在：

1。δ-有限晶体具有BCC晶格，是高温范围内的稳定相。当产生低碳和中碳钢时，此阶段仅发生在连续铸造结晶器的冷却过程中。

2。γ-杀取剂具有一个FCC晶格，可以在实心溶液中溶解多达2％的碳。大多数现代的滚动技术都涉及奥氏体区域的塑性变形，因为奥氏体具有良好的可塑性和低强度。

3。在冷却过程中，γ-分解为α-铁素体，该铁矿具有BCC晶格，最大碳含量仅为0.022％。在大多数情况下，α-有限岩被简单地称为铁氧体。

4。铁碳相图的最后阶段是水泥岩 - 铁和碳（碳化亚非）Fe3c的化合物。含有6.67％的碳。胶合物体的特征是它们极高的硬度和极低的延展性，并且是脆性物质。

除相变外，许多其他因素还可能影响硬度测量值，其中之一是钢中的碳含量，在钢的机械性能中起着重要作用。如方程式1所示，碳当量的概念用于钢材材料。该配方适用于确定各种合金元件（例如碳钢，低合金钢，C-MN钢和铸铁）等效的碳。基于这个概念，较高的碳和其他合金元素，例如锰，铬，硅，钼，钒，铜和镍，倾向于增加钢材材料的硬度。

（一级方程式）

研究结果表明，根据公式1所示，根据美国焊接协会（AWS）公式计算出的碳等效（CEAW）与 （硬度）具有良好的一致性。钢制硬度的合金元素。如图1所示，HV1钢（施加载荷为1 kg）和CEAW之间的硬度之间的关系。随着合金元件的增加，材料的硬度显着增加，这可能与钢中微观结构中的珠光石和贝类有关。强度和马氏体结构增加。

图1碳等效与维克硬度（HV1）之间的相关性（HV1）

微硬度的测试始于铁氧体组织。该相包含最少的杂质元素，与室温下的纯铁相似，碳含量高达0.002％c。它被称为“无间隙原子钢”，由于其高延展性和低强度，该钢被广泛用于汽车行业。这允许热卷的板块钢板产品在6架冷滚动厂中产生最小厚度为0.15mm的冷纸，这可以减轻车辆使用时的车辆重量。该钢的结构非常均匀，因为在生产过程中，碳和氮含量保持在最低水平。因此，这些钢的微观结构主要是100％铁氧体，可用于评估施加载荷对测试结果的影响。

应该注意的是，随着施加的载荷的减小，测得的显微度值增加（图2）。这种现象与压痕的弹性回收有关。当载荷升起时，变形引起的弹性变形也会消失。 [6,7]在绝对值中，它只有几微米。当测量硬度（例如使用10kg或1kg）的硬度时，由于压痕的大小为150-300微米，因此可以忽略这种微小的弹性范围。但是，随着负载的减小，相应的压痕尺寸减小，弹性的比例成分显着增加，从而导致硬度测量值的增加。在这方面，测试中使用的负载大小非常重要，否则，它将导致可能被误解的数据。

图2维克硬度（HV1）和微标志（HV0.01（施加载荷10 g））超低碳铁氧体铁氧体铁氧体钢的比较

如前所述，微硬度测试是一种非常敏感的方法，可用于评估合金添加对铁氧体力学的影响。图3a描述了碳当量的CEAW与铁氧体显微硬度之间的关系。随着碳当量CEAW的增加，超低碳含量钢和HSLA钢的铁素体值从100-120增加到180-200（图3C和3D）。还值得注意的是，碳，锰，铬和硅等合金元素的含量进一步增加不会导致铁氧体相微硬度的显着增加，这在180-220处是稳定的（图3E）。

图3（a）碳当量（CEAWS）和 （HV0.010）之间的相关性； （b）扫描电子显微镜（SEM）中的铁氧体，X2500； （CE）微标志测量，HV0.010（施加10 g载荷）

用于硬度测试的下一个微观结构组件是珠光体。从图中，珠光体可以描述为层状铁氧体和水泥岩的集合。根据扩散转换机制进行珠光体的形成，在此期间，碳和铁在新阶段向新阶段散布到板的边界，在这种情况下，板的大小也取决于温度和冷却速率，作为钢的化学成分。

这项研究收集的结果表明，碳含量的增加导致硬度急剧增加。这在1 kg负载下的宏观水平上特别明显（图1）。珠光度微硬度的变化模式与图4中的变异模式相同。对于碳等效含量为0.30-0.40％的低碳钢，珍珠石的微硬度为200-250 HV0.010。当合金元素含量增加到碳当量CEAW的0.50％时，合金的微值增加到260〜290 HV0.010。随着冷却速率的增加和冷却温度的降低，发生了更明显的变化。这导致珠光体成分的分散程度增加。因此，在热滚动冷却后，成品温度降低50°C可以将珠光体成分的显微硬度增加到350 HV0.010（图4B和4C）。

图4（a）SEM中的珍珠，X2000； （B和C）微硬度测量，HV0.010

另一个众所周知的微观结构组成部分是马氏体。这种转化是根据“无扩散”或剪切机制发生的，其中碳在铁晶格中形成过饱和的固体溶液，并且由于由于过量的碳在钢中的硬度，该结构成分的硬度明显高于钢的硬度。格子。平均硬度（表1）。已经发现此功能应用于所谓的两相钢，其中铁素体基质负责材料的延展性，而成分负责高拉伸强度，如图5所示。

表1不同组织组件的微硬度，HV0.010

图5（a）扫描电子显微镜下的马氏体，x2500； （b）测量，HV0.010

还值得注意的是，与扩散不同，马氏体相变仅在恒定冷却过程中发生。这导致在逐渐冷却下的相变终止，并在钢结构中保留了相当比例的残留奥氏体，形成了所谓的M/A相（图6）。 M/A相是不稳定的结构，随后将其分解为更稳定的结构。但是，滚动后，由于结构缺陷的密度较高，其硬度明显高于其他组织结构的硬度（表1）。

图6（a）扫描电子显微镜中的M/A相，X2000（a）； （b）测量，HV0.010

近年来，所谓的复合材料或贝氏钢（图7）吸引了最广泛的关注。当在热卷​​厂的成品输出辊上冷却时，该钢经历了中间类型的奥氏体转化，因为它具有妊娠期，扩散特性和转换特征，因为它仅在连续冷却时发生。此外，这种过渡发生在没有铁扩散的情况下，但碳原子扩散非常活跃。这导致形成大量富含碳或碳贫气的奥斯丁派，[1]这些过渡导致各种形成的形成物种贝氏体形态，例如颗粒状贝氏岩（图7C），上贝氏和下贝氏岩（图7b），[3]在微度上具有显着差异（表1）。

图7（a）SEM中的贝氏体，x2000； （B和C）微硬度测量，HV0.010

下一个结构成分是在相似条件下发生的针灸铁素体的形成（图8），在贝氏和铁素体之间的温度范围。 [5]耗尽碳的奥氏体的体积结构有利于形成分散的针灸铁矿，[1]另一个区别是，贝氏岩的形成发生在奥氏体晶粒的边界处，而针状铁矿需要形成内部的成核位点谷物。

图8（a）扫描电子显微镜中的针灸铁氧体，x2000； （B和C）微硬度测量，HV0.010

因此，特定微观结构组件的微硬度取决于在奥氏体分解过程中导致其形成的相变的类型。同时，在转化过程中奥氏体的稳定性可以由钢的化学成分以及生产冶炼和滚动制成。让我们决定。如表1所示，微结构成分的扩散越高，结构缺陷的局部浓度越高，结构成分本身的微标志越高。

图9提供了一个实际示例，显示了如何应用所提供的数据来评估和识别微观结构组件。

图9基于微硬度结果的相识别

确定所评估的微观结构中出现的结构组件的类型：

•对感兴趣区域进行了微硬度测试（图9A和9C）。

•有必要选择硬度量表压痕负载，以使凹痕保持在研究阶段。在此示例中，使用了10 g的头部负荷。

•此外，使用此软件进行图像评估，可以估算研究区域的相位组成（图9b）。此外，通过评估几个代表性领域的微硬度，可以估算整个样品的金属相组成（图9E）。

综上所述

微硬度测量似乎是基于其定性特征和定量测试结果来确定微结构组件的类型的简单快速工具。

参考

1。HKDH，在：和，CRC出版社，2019年。

2。S.Zajac等人，“ - for Res”，，，，，，，2003，ECSC-2004-247/07。

3。S.Zajac，V。和Kh Tacke，“以及高高和超高”，论坛，第1卷。 500，2005，第387–394页。

4。AJ，MJ Hua，KG Cho和CI，“ On：of：of：”和，vol。 25，第9期，2009年，第1074–1082页。

5。D.Loder，SK和C.，“及其 - A”，J。Mater。科学。 Res，第1卷。 6，第1号，2017年，第24-43页。

6. pm，“使用大小的用途”，in，ASTM，1985。

7。PMTF页面，“和”，第1卷。 20，第7号，1985年，第2388–2398页。

作者

： 钢。 - 密西西比州的平面卷组

： 钢。 - 密西西比州的平面卷组

Tang 于2022年10月中旬从今年10月在某个国家的《铁与钢技术》杂志上在上海翻译。水平有限。请更正翻译中的任何错误。