[科普中国]-反常组织

简介

过共析钢中，在原奥氏体晶界分布着粗厚的网状渗碳体，在此粗厚渗碳体的两边有很宽的游离铁素体，这种组织被称为“反常”组织。这种粗厚的渗碳体有时也会出现在原奥氏体晶粒内。同样，在粗片渗碳体两边是游离的铁素体。

“反常”组织是正常的片状珠光体的一种变态。实质上是离异（或退货的）的珠光体。“反常”组织也在亚共析钢中出现，表现为沿晶界析出的粗厚渗碳体。

研究指出，钢在奥氏体相区加热温度越低，奥氏体就越不均匀，其中含有大量未溶的碳化物或氮化物。越是在这种加热条件下，越容易形成“反常”组织。就冷却条件来说，冷却越缓慢，以致Ar1温度非常接近A1温度时，愈容易产生“反常”组织。钢的含碳量与共析含碳量相距愈远时，形成“反常”组织的倾向就愈大。此外，“反常”组织的出现也与钢中含氮量和加铝量有关，含氮量高的转炉钢容易产生“反常”组织。所有这些条件都是和离异共析体形成的基本原理相一致的。

Q 235 低碳钢的正常组织为铁素体+ 珠光体。而反常组织则为钢中的碳全部以游离渗碳体的形式存在, 无珠光体析出, 即形成铁素体+ 游离渗碳体的组织状态。

通常室温条件下的Q 235 钢, 在无宏观裂纹存在的情况下, 是不会发生脆断的。但是由Q 235 钢制造的高速公路波形护栏却连续发生室温脆断失效。

分析证实, 是材料中出现了严重的反常组织。由此可见, 要重视Q 235 钢的组织状态对性能的影响。通常在冷冲用钢中对游离渗碳体有使用级别要求, 而一般Q 235 钢只要求性能指标, 而无组织状态要求。在Q 235 钢中出现严重的反常组织虽属少见, 但因其危害性极大, 所以有必要对此反常组织的形成条件及其与力学性能的关系, 进行仔细研究1。

反常组织的形成条件低碳钢中的反常组织是在奥氏体区急冷至A r1点略低的温度后冷速过慢而形成的。试验表明, 反常组织的形成受多种因素的影响, 如冷却方式、奥氏体化温度、保温时间、等温温度、等温时间等, 其中等温温度及冷却方式对反常组织的形成影响较大。将材料加热至奥氏体化温度以上, 急冷至A r1 点略低温度(680℃左右) 等温, 再随炉冷至室温最易得到反常组织。为了得到不同含量的反常组织,各试验的冷却均按上述方式进行。

低碳钢在连续冷却条件下, 奥氏体在两相区(铁素体+ 奥氏体) 缓慢冷却, 先析出铁素体后, 奥氏体含碳量随温度下降不断升高, 降至共析温度下发生珠光体转变, 其珠光体是以铁素体与渗碳体横向交替形核长大的。而反常组织则是在奥氏体区急冷至A r1略低点等温, 此时奥氏体随保温时间延长, 先析出铁素体, 并具有排碳作用, 使碳原子向奥氏体中扩散、聚集, 当奥氏体中碳含量不断增加到一定值时,将有多余的碳以离异共析的形式先析出渗碳体, 铁素体析出后依附在先共析铁素体晶粒上长大, 未与渗碳体横向交替形核。碳在奥氏体中的扩散是向着优先析出渗碳体的方向进行, 即为渗碳体的聚集长大创造了条件。

在实际生产中, 反常组织的形成, 还受其他因素的影响, 如轧制的终轧温度、变形量等均对相变温度有影响。压应力使珠光体转变推迟, 沸腾钢中氧的大量存在也降低了珠光体转变温度, 这样碳原子有足够的时间扩散, 同时在变形过程中晶内缺陷密度的增加也提高了原子扩散速度, 这些因素均给反常组织的形成提供了有利条件2。

反常组织对力学性能的影响不同含量的游离渗碳体(与珠光体的相对含量)对Q 235 钢力学性能的影响不同。可见反常组织对钢力学性能的影响与铁素体晶粒度密切相关。在细晶(8—9 级) 状态下(21—24 号试样) , 随游离渗碳体含量增加, 钢的抗拉强度下降, 当游离渗碳体含量达到30% 时, 材料的抗拉强度将低于Q 235 钢标准(GB700—88) 的下限(375M Pa) , 塑性、韧性指标变化不明显, 材料均为韧性断裂。当渗碳体的含量达到90% , 材料的强度进一步下降, 而冲击韧性也有所降低, 但仍为韧性断裂。当钢材的铁素体晶粒粗大(5—6 级) , 其渗碳体颗粒也粗大, 而且沿晶分布时, 由于粗大的渗碳体硬脆相起着微裂纹的作用, 加之粗大晶粒的共同作用, 致使脆性转折温度升至室温, 从而导致脆性断裂。而对于细晶(8—9 级) 状态, 渗碳体颗粒细小, 虽也沿晶分布, 但较分散, 对基体的割裂作用较小, 所以不足以促使材料断裂性质发生变化。

同时还发现, 只有粗晶(5—6 级) 而没有反常组织(25 号试样) , 也不会导致材料发生室温脆断。所以只有反常组织, 没有粗晶, 或者只有粗晶没有反常组织都不会使Q 235 钢发生室温脆断。

断口形貌微观分析与宏观断裂性质一致, 正常组织与细晶反常组织均为韧断, 微观断口为韧窝状,粗晶反常组织为脆性断裂, 断口形貌为河流花样的解理断裂与沿晶断裂的混合型。

综上所述, 反常组织对Q 235 钢力学性能有严重影响: 明显降低材料的抗拉强度 , 降低材料的冲击韧性(AK)。其下降程度均受铁素体晶粒度的影响, 随晶粒尺寸增大, 下降趋势增大。当晶粒度为5—6 级时, 反常组织导致材料发生室温脆断3。

反常组织的预防及消除反常组织是在特定的工艺条件下产生的, 要避免反常组织的形成, 其根本措施是在热轧后控制好冷速, 不要将未冷透的钢板堆垛, 防止钢板在A r1温度附近长期停留, 更重要的是控制加热温度, 不能过高, 因为粗晶的反常组织危害极大。当进行显微组织检查, 发现反常组织的可通过正火处理进行消除2。

总结(1) 铁素体加游离渗碳体的反常组织, 将降低Q 235 钢的抗拉强度与冲击韧性。

(2) 反常组织对钢材力学性能的影响与铁素体晶粒度密切相关, 细晶(8—9 级) 状态下的反常组织影响较小, 粗晶(5—6 级) 状态下的反常组织危害极大, 并可导致材料发生室温脆断。

(3) 防止反常组织形成的措施是在热轧后控制好冷速, 避免钢板在A r1温度附近长期停留, 并严格控制加热温度, 不能过高, 避免晶粒粗大。如出现反常组织可通过正火处理进行消除2。