王生朝，歐 玲，孫 斌

（湖南工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

含Nb微合金鋼Q345和管線鋼X70臨界點(diǎn)的測(cè)定

王生朝，歐 玲，孫 斌

（湖南工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

利用PCY熱膨脹儀（熱膨脹系數(shù)儀），以2 ℃/min的加熱/冷卻速率，測(cè)定了含Nb微合金鋼Q345B，Q345C和管線鋼 X70的臨界點(diǎn)溫度Ac1, Ac3 , Ar1和Ar3，并依據(jù)膨脹曲線圖計(jì)算出它們的熱膨脹系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)Q345B和Q345C進(jìn)行加熱時(shí)，它們的臨界點(diǎn)Ac1和Ac3大致相同，分別相差8 ℃和3 ℃；而冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)Ar1和Ar3，分別相差23 ℃和25 ℃。由于在X70鋼中，含有更多的微合金元素Nb, V, Ti等，它們的碳氮化物的溶解和析出會(huì)對(duì)鋼材的相變帶來(lái)較大的影響，所以X70鋼的各個(gè)臨界點(diǎn)溫度比Q345B和Q345C高出許多。但所測(cè)試的3個(gè)鋼種的熱膨脹系數(shù)沒(méi)有太大的差別。

微合金鋼；臨界點(diǎn)；相變；熱膨脹系數(shù)

0 引言

鋼材的臨界點(diǎn)會(huì)隨著加熱或冷卻速度的變化而偏離平衡相圖溫度，這對(duì)于鋼坯在熱裝、熱送中組織應(yīng)力的變化，及鋼材的組織性能等存在重要影響。在一定的加熱溫度范圍內(nèi)，鋼材的臨界點(diǎn)會(huì)隨著加熱速率的增大而升高，但是其奧氏體化時(shí)間會(huì)縮短。相反，在鋼材進(jìn)行冷卻時(shí)，其臨界點(diǎn)也會(huì)因?yàn)榻禍厮俾实脑隹於兊酶汀４送?，鋼材的臨界點(diǎn)溫度Ac1和Ac3與碳的擴(kuò)散速度成正比例關(guān)系[1-4]。而對(duì)于彌散分布的細(xì)晶?；騺喎€(wěn)定組織的穩(wěn)定性，通常是正火組織以及淬火組織的比退火組織的要差、片狀珠光體比球狀或粒狀珠光體的要差，而且晶粒顆粒也要細(xì)一些，比較容易進(jìn)行相變。

對(duì)于同一鋼種來(lái)說(shuō)，其退火組織和球狀或粒狀珠光體升溫時(shí)對(duì)應(yīng)的Ac1和Ac3溫度也要高一些。相反地，當(dāng)其進(jìn)行冷卻時(shí)，相變之前的溫度越高以及保溫時(shí)間越長(zhǎng)，會(huì)因造成高溫奧氏體晶粒的長(zhǎng)大以及沒(méi)有溶解的顆粒數(shù)目的減少，導(dǎo)致降溫時(shí)的Ar1和Ar3溫度低很多[5-6]。因此，在對(duì)鋼進(jìn)行臨界點(diǎn)的測(cè)定時(shí)，為了使得到的數(shù)據(jù)符合生產(chǎn)實(shí)際，選用的測(cè)試試樣一般采用退火組織，或采用與對(duì)應(yīng)鋼種具有相同的變形制度和晶粒度的試樣，以保證檢測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

本文擬利用熱膨脹系數(shù)儀（PCY熱膨脹儀），對(duì)含Nb的微合金鋼Q345B和Q345C，以及管線鋼X70的臨界點(diǎn)Ac1, Ac3 , Ar1和Ar3進(jìn)行測(cè)定，并通過(guò)其熱膨脹曲線圖計(jì)算其熱膨脹系數(shù)，探討其相變的影響因素和變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)原理

已有對(duì)于鋼材臨界點(diǎn)溫度的測(cè)試方法，主要有計(jì)算法、金相法和膨脹法。因?yàn)殇摬牡?相和 相之間存在比容的不同，一旦進(jìn)行固態(tài)相變，會(huì)導(dǎo)致原有的膨脹效應(yīng)和溫度之間的關(guān)系發(fā)生變化，所以能夠按照熱膨脹曲線來(lái)找到對(duì)應(yīng)的相變溫度。由于膨脹法的試驗(yàn)材料準(zhǔn)備較為簡(jiǎn)單，但其結(jié)果較為精確。因此，本試驗(yàn)選用膨脹法對(duì)3種鋼材的臨界點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)試。

如圖1所示為亞共析鋼在一般情況下的溫度-膨脹曲線。

圖1 亞共析鋼的絕對(duì)膨脹值與溫度關(guān)系Fig. 1 The relationship between absolute expansion value and temperature of hypoeutectoid steel

由圖1 可知，在鋼材進(jìn)行加熱的過(guò)程中，如果溫度沒(méi)有達(dá)到Ac1，造成試樣長(zhǎng)度發(fā)生變化的主要原因是熱膨脹現(xiàn)象，即試樣變長(zhǎng)主要是由熱膨脹帶來(lái)的；當(dāng)溫度達(dá)到Ac1時(shí)，相變開(kāi)始發(fā)生，因?yàn)殍F素體 和奧氏體 的致密度分別為68%和74%，所以在進(jìn)行相變的過(guò)程中，其體積也會(huì)相應(yīng)減小，與前面的熱膨脹伸長(zhǎng)疊加，最后導(dǎo)致樣品長(zhǎng)度變短，這種情況一直持續(xù)到相變結(jié)束。其后，隨著溫度的進(jìn)一步升高，試樣組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體 ，其長(zhǎng)度會(huì)隨著熱膨脹的變化而增長(zhǎng)[7]。

本研究使用切線法確定鋼材的相轉(zhuǎn)變溫度，即根據(jù)熱膨脹曲線來(lái)確定鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度。具體的數(shù)據(jù)處理方法如圖2所示，即將熱膨脹曲線上的純熱膨脹或純冷卻收縮區(qū)的直線段延長(zhǎng)，臨界點(diǎn)（膨脹曲線偏離直線的起始位置，即切點(diǎn)）所對(duì)應(yīng)的溫度為鋼材的相轉(zhuǎn)變溫度。

圖2 切點(diǎn)法確定臨界點(diǎn)示意圖Fig. 2 Schematic diagram for critical point by tangent point method

2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用含Nb微合金鋼Q345B和Q345C以及管線鋼X70 3個(gè)鋼種，表1 列出了所選用鋼材的化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the tested steels %

試樣取自連鑄坯，切割位置在鑄坯寬度的1/4左右，且靠近鑄坯的上表面。圖3所示為試樣的加工尺寸，試樣兩頭加工為突出的凸臺(tái)，以使得試樣和膨脹儀中石英管接觸面積最小，保證試樣傳熱的均勻性，減少變化過(guò)程中摩擦阻力對(duì)試樣的影響，確保試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)性。

圖3 試樣加工尺寸圖Fig. 3 Size of the sample

3 試驗(yàn)設(shè)備和方法

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)中選用的主要設(shè)備為PCY系列熱膨脹儀（熱膨脹系數(shù)儀），該設(shè)備主要被用于檢測(cè)固體無(wú)機(jī)材料、金屬材料的高溫膨脹性能。選用本儀器，可以完成試樣的線變量、線膨脹系數(shù)、體膨脹系數(shù)、相轉(zhuǎn)變等變化曲線的測(cè)定。

PCY系列熱膨脹儀的關(guān)鍵性能參數(shù)設(shè)置如下：爐溫最高值為1 200 ℃；使用電腦編程執(zhí)行溫度控制，升溫速率為0～100 ℃/min；膨脹值測(cè)量范圍為±5 mm；膨脹值的測(cè)量分辨率為0.1～1m；試樣可被加工為圓形或方形，尺寸大小為（2～15）mm×（2～15）mm×（20～150）mm。

3.2 試驗(yàn)方法

將制作好的試樣放置在PCY熱膨脹儀中固定好，然后將測(cè)量?jī)x器調(diào)零，先緩慢升溫，控制升溫速率為2 ℃/min；當(dāng)溫度達(dá)950 ℃時(shí)，保溫10 min，以使試樣完全奧氏體化；然后以2 ℃/min的冷卻速率降至常溫。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程由PCY熱膨脹儀將溫度及膨脹量的變化情況記錄下來(lái)，試驗(yàn)溫度控制曲線如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)工藝曲線Fig. 4 Experimental process curve

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)中，膨脹儀記錄的鋼材溫度-膨脹量關(guān)系曲線見(jiàn)圖5～7。由圖5～7所測(cè)鋼種的溫度-膨脹量關(guān)系曲線，采用切點(diǎn)法得出的各試驗(yàn)鋼種臨界點(diǎn)測(cè)量值見(jiàn)表2。

圖5 Q345C鋼絕對(duì)膨脹量-溫度變化曲線Fig. 5 The changing curve of expansion value - temperature of Q345C steel

圖6 Q345B鋼絕對(duì)膨脹量-溫度變化曲線Fig. 6 The changing curve of expansion value - temperature of Q345B steel

圖7 X70鋼絕對(duì)膨脹量-溫度變化曲線Fig. 7 The changing curve of expansion value - temperature of X70 steel

表2 試驗(yàn)用鋼材的臨界點(diǎn)測(cè)量值Table 2 The measured values of the critical points ℃

分析表2中的數(shù)據(jù)可以得知，對(duì)于微合金鋼Q345B和Q345C，它們的Ac1和Ac3臨界溫度相差不大，分別為8 ℃和3 ℃；但是在進(jìn)行降溫發(fā)生相變時(shí)，其Ar1和Ar3溫度分別相差23 ℃和25 ℃。與Q345B和Q345C相比，X70鋼測(cè)得的每一個(gè)臨界點(diǎn)溫度都要比它們高出很多。造成這種現(xiàn)象的原因，可能是在X70鋼中，含有Nb, V, Ti等微合金元素的碳氮化物，而這些化合物的溶解和析出對(duì)鋼的相變過(guò)程存在一定的遲滯作用。

根據(jù)圖5～7所示絕對(duì)膨脹量-溫度曲線，并由公式（1）計(jì)算，可得Q345C, Q345B, X70在沒(méi)有發(fā)生相變的鐵素體區(qū)的膨脹系數(shù)，如表3所示。

ΔT為溫度變化量，單位為℃；

L為試樣的原始長(zhǎng)度，單位為mm；

ΔL為絕對(duì)膨脹量，單位為mm。

表3 試驗(yàn)鋼種的熱膨脹系數(shù)Table 3 Thermal expansion coefficients of the tested steels ℃-1

分析表3中的鋼材熱膨脹系數(shù)，可知3個(gè)測(cè)試鋼種的熱膨脹系數(shù)相差不大，相較而言，Q345B的熱膨脹系數(shù)最小，為1.30×10-5/℃，而X70的最大，為1.40×10-5/℃。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是鋼材的膨脹系數(shù)是由鋼中鐵原子的排列結(jié)構(gòu)決定的，而微量的合金元素基本上不會(huì)影響鋼材的熱膨脹系數(shù)。

5 結(jié)論

本研究采用膨脹法，并通過(guò)PCY系列熱膨脹儀測(cè)量了Q345B，Q345C，X703個(gè)試驗(yàn)鋼種的相變臨界點(diǎn)Ac1, Ac3, Ar1和Ar3 ，并根據(jù)膨脹曲線算出了不同鋼種在鐵素體區(qū)的熱膨脹系數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)與結(jié)果分析，可得出如下結(jié)論：

1）對(duì)于Q345B和Q345C，它們的Ac1和Ac3臨界溫度相差不大，分別為8 ℃和3 ℃，但進(jìn)行降溫發(fā)生相變時(shí)，其Ar1和Ar3溫度相差23℃和25℃。

2）與Q345B和Q345C相比，X70鋼測(cè)得的每一個(gè)臨界點(diǎn)溫度都要比它們高很多。

3）所測(cè)試3個(gè)鋼種的熱膨脹系數(shù)相差不大。

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（責(zé)任編輯：廖友媛）

Determination of Critical Point of Nb-Microalloyed Steel Q345 and Pipeline Steel X70

Wang Shengzhao， Ou Ling，Sun Bin
（1. School of Metallurgical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

The critical points of Ac1, Ac3, Ar3 and Ar1 of Nb-microalloyed steel Q345B, Q345C and pipeline steel X70 were studied by PCY thermal expansion instrument (thermal expansion coefficient apparatus) with 2 ℃ / min heating/ cooling rate, and the thermal expansion coefficients were calculated according to the expansion curves of the experimental steel. The results showed that the difference values of critical points of Ac1 and Ac3 of Q345B and Q345C steel were not large in heating process, which were 8 ℃ and 3 ℃, but in cooling process the temperature differences of Ar1 and Ar3 were 20℃ and 25℃ respectively. As there was more microalloyed elements of Nb, V, Ti, etc. containing in X70, the dissolution and precipitation of carbon nitride brought about greater impact on the phase transformation of steel, the critical point of X70 is much higher than that of Q345B and Q345C. There is no much difference in the expansion coefficients of the three tested steel .

microalloyed steel； critical point；phase change；thermal expansion coefficient

TG335.5

A

1673-9833(2015)05-0088-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.05.018

2015-05-10

湖南省科學(xué)技術(shù)廳科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（2014GK3169）

王生朝（1970-），男，河南南陽(yáng)人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，主要從事材料加工領(lǐng)域的教學(xué)與研究，E-mail：steelboy2006@163.com