带状组织的形成原因及消除方法

PART 1带状组织的形成原因
     带状组织是指亚共析钢中珠光体和铁素体呈带状排列的现象，是钢在冶炼过程中形成的缺陷组织。
     钢液在铸锭结晶过程中选择性结晶，形成化学成分不均匀分布的枝晶组织。钢锭中的粗大枝晶在轧制时沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一致，从而形成碳及合金元素的贫化带和富化带，彼此交替堆叠。在缓冷条件下，先在碳和合金元素的贫化带（过冷奥氏体的稳定性较低）析出先共析铁素体，将多余的碳排入两侧的富化带，最终形成以铁素体为主的带；而碳及合金元素的富化带（过冷奥氏体稳定性较高）在其后形成以珠光体为主的带，最终形成以铁素体和珠光体交替排列的带状组织。成分偏析越严重，形成的带状组织越严重。 图1 40钢带状组织
     图1所示为40钢供应状态的显微组织，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，白色铁素体和深色珠光体呈带状分布。
     钢中存在磷的偏析时会形成带状组织。当钢在A3-A1区间慢冷时，高磷区域的A3温度高，首先形成铁素体，碳被浓缩到低磷区，造成低磷富碳区，在随后冷却时发生共析转变，形成珠光体，使组织分层排列。
      锰也是促进带状偏析形成的元素。热轧钢中，一般形成珠光体处的含锰量较高，而析出铁素体处含锰量较低。钢经热轧后缓慢冷却，先共析铁素体将优先沿变形纤维分布方向的低锰处析出，然后碳将推进到高锰处形成珠光体，结果珠光体与铁素体相间分布呈条带状。
     如果钢材中存在沿轧制方向被拉长为呈带状分布的非金属夹杂物，在冷却过程中，这些夹杂物就可能成为铁素体优先析出的核心，而形成铁素体带，一般就很难用正火的方法予以消除。这种带状组织必须先采用高温均匀化退火后再正火处理来改善。
     如果奥氏体中的合金元素分布不均匀，将导致其晶粒长大倾向不一，在碳化物形成元素的富化区易残留未溶碳化物，降低碳原子的扩散速度，从而抑制晶粒长大；在贫化区晶粒则容易长大，故易出现混晶组织。淬火时，合金元素贫化区的淬透性低，易形成非马氏体组织。渗碳淬火时，混晶中的粗大晶粒形成粗大针状马氏体，将增加残留奥氏体量。因此，带状组织在常规热处理之后都具有较低的力学性能。此外，因成分偏析引起膨胀系数和相变前后比体积差异增大，使零件淬火变形增大。
      带状组织由于其显微组织分层排列，因而使其力学性能具有方向性，即沿带状纵向的抗拉强度高，韧性也好，但横向的性能就比较差，不仅强度低，韧性也差，而且还会使钢的切屑性能变差，同时使后续热处理变形与硬度的不均匀性增加。如果淬火前存在带状组织，淬火加热过程中不可能全部消除，淬火后残存的带状组织会使工件产生较大的组织应力，甚至导致开裂。
     通常碳在奥氏体中的均匀化温度高于950℃，合金元素的均匀化温度要高于1100℃，而均匀化时间受带状组织的带宽、带间浓度差和要求均匀化程度的限制。因此，欲使带状组织中的碳（特别是合金元素）均匀化是相当困难的，采用常规热处理（如退火、正火、淬火、渗碳等）工艺一般很难消除带状组织。
     归纳形成带状组织的原因，其外因为压延，其内因为钢锭内磷、硫等元素的偏析和夹杂物。带状组织的严重程度可根据GB/T 13299 《钢的显微组织评定方法》评定。


PART 2消除带状组织的方法
      采用常规热处理（如退火、正火、淬火、渗碳等）不能消除带状组织中合金元素的偏析，虽然快冷可抑制碳的不均匀分布，不出现或减轻带状组织，但重新加热缓冷时又会形成带状组织。     因此，带状组织需要采用电渣重熔、增大结晶速度、提高终轧温度、增大锻造比、进行高温均匀化退火等方法消除。


PART 3结束语
     带状组织是钢材中碳和合金元素分布不均匀的一种现象，视其带状的严重程度，会对工件的机械性能产生不同程度的影响。

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