热处理温度对超高强度钢组织性能的影响

马红梅，王守忠

(1. 商丘职业技术学院 机电工程系，河南 商丘 476000; 2. 商丘职业技术学院 生物工程系，河南 商丘 476000)

超高强度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而得到的一种合金钢. 超高强度钢一般采用淬火加中温回火工艺，得到回火马氏体组织, 使其具有超高的强度[1]26-79. 然而在对其进行强化处理的过程中, 当使钢的强度提高时, 其塑韧性却明显下降, 难以满足现代工业发展的要求，制约了该类钢的进一步发展[2]99-102. 近年来,通过等温热处理工艺获得的贝氏体/马氏体复相组织，具有优良的强韧性配合，受到了人们的高度关注,并呈现出良好的应用发展前景[3]121-123. 但当等温热处理工艺参数选择不当时，对钢的组织性能影响较大[4]10-13. 为充分发挥或挖潜现有材料的内在潜力，在实验材料和热处理时间相同的实验条件下, 以中碳超高强度钢为研究对象，针对不同奥氏体化加热温度与不同等温热处理温度对其组织性能的影响进行了实验研究，以期为进一步改善该类钢的塑韧性提供参考依据.

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

试验用材料在ZG-3 型真空感应炉中冶炼, 锻造成Φ25mm的棒材, 经850℃×60min保温炉冷退火后备用， 其化学成分如表1所示：

表1 实验钢的化学成分(质量分数%)

1.2 实验与方法

将经850℃×60min保温炉冷退火后的Φ25mm棒材机械加工成三个Φ10mm×50mm的标准拉伸试样，再将试样加热至840 ℃、880 ℃、920 ℃保温30min奥氏体化，分别在275 ℃、325 ℃、375 ℃盐浴槽中等温2 min 油冷后，在WE-600型液压式万能材料试验机上进行拉伸性能试验；将拉伸试验拉断后的试样研磨抛光后制成金相试样，用2%硝酸酒精溶液侵蚀后, 用ZMM-500Z 型光学显微镜观察其金相显微组织；采用APD210型X射线衍射仪测定试样中残余奥氏体含量；实验结果均取3次测试结果的平均值.

2 实验结果及分析

2.1 奥氏体化温度对实验钢金相组织的影响

如图1 所示，试验钢经840 ℃、880 ℃、920 ℃奥氏体化保温30 min后,再在325 ℃熔盐中等温2 min油冷后，得到的金相组织均为贝氏体+马氏体+少量残余奥氏体复相组织.

图1 奥氏体化温度对实验钢金相组织的影响

由图1可知，随着奥氏体化温度的升高，贝氏体+马氏体+少量残余奥氏体复相组织趋向粗大. 这是由于材料成分中加入了多种提高钢的淬透性和淬硬性的C、Si、Mn、Cr等合金元素，奥氏体化热处理温度改变了合金元素在钢中的存在状态与溶解度，进而合金元素在钢中的存在状态与溶解度又反过来影响到钢的组织转变.

如图1(a)所示，840 ℃奥氏体化温度下，碳及合金元素分布不均匀，只有少量碳化物溶解于奥氏体中. 贝氏体通常优先在过冷奥氏体晶界形核生长[5]16-21，先析出的下贝氏体比较短粗. 另外，组织中还将保留有一定量的未溶碳化物和一部分铁素体存在，未溶碳化物将对基体产生分割作用，铁素体在随后的冷却过程中会延迟马氏体的转变，只有少量的奥氏体诱发生成马氏体，而过多的奥氏体便会残留下来形成残余奥氏体，故钢的塑韧性较好，强度较低.

如图1(b)所示，当奥氏体化温度升高至880℃时，短粗状的下贝氏体已转变为细长的针状，分割过冷奥氏体晶粒的作用增强，使随后形成的马氏体板条细化,尺寸减小,分布在铁素体内的残余奥氏体也将贝氏体条进一步分割细化[6]31-36，奥氏体化连续油冷后得到的贝氏体/马氏体复相组织较为细小均匀，则界面增多,裂纹扩展路径减小, 当裂纹扩展遇到贝氏体/马氏体复相组织时,裂纹在边界形核并穿过晶体扩展，裂纹转折多,扩展的阻力增大，消耗能量增多，使得钢的强韧匹配性大为改善.

如图1(c)所示，当奥氏体化温度进一步升高至920℃时，碳化物溶解度将迅速增大，基本上丧失了对奥氏体晶粒长大的阻碍作用. 奥氏体晶粒变得粗大，基体中针叶状组织明显增多，残余奥氏体含量逐渐减少，致使奥氏体化连续油冷后转变的贝氏体/马氏体也逐渐变得更为粗大，使得钢的强度上升，而塑韧性下降.

图2 等温温度对钢的力学性能影响

2.2 等温温度对钢的力学性能影响

如图2所示是试验钢经880 ℃奥氏体化保温30 min后, 分别在 275℃、325 ℃和375 ℃等温2 min 油冷后的力学性能随等温温度升高的变化情况. 由此可知，随着等温温度的升高, 钢的抗拉强度总体呈平缓下降趋势, 而断面收缩率在275～325 ℃等温温度范围内呈上升趋势, 在325～375 ℃等温温度范围内却明显下降.

因为当等温温度较低时，钢的冷却速度大，贝氏体转变速度加快，导致富碳的残余奥氏体含量增加，残余奥氏体在应力作用下宜诱发转变为马氏体，有助于基体强化，而塑韧性较差；随着等温淬火温度的升高，残余奥氏体含量逐渐增加，导致断面收缩率呈上升. 但当等温淬火温度超过325 ℃后，由于碳的扩散速度明显加快，残余奥氏体中的含碳量下降，贝氏体铁素体板条尺寸增大，残余奥氏体薄膜增厚，热稳定性与机械稳定性变差，在很小的应力作用下易诱发形成大量的马氏体[7]41-50，残余应力增大，钢的硬脆性大，钢的强度稍有下降，而断面收缩率却开始大幅度的下降，这表明钢的断面收缩率与残余奥氏体的含量密切相关.

由图1、图2可见，中碳超高强度钢经奥氏体化温度880 ℃×30 min 保温+等温温度325℃×2 min保温油冷后, 可获得强韧性配合良好的贝氏体+马氏体+少量残余奥氏体复相组织, 经测试，钢中残余奥氏体的含碳量≥7.6%,钢的抗拉强度Rm≥2065 MPa, 断面收缩率Ψ≥25.5%.

3 结论

(1)奥氏体化温度对超高强钢的组织性能影响显著. 30 min奥氏体化保温时间和325 ℃等温温度2 min保温油冷情况下，随着奥氏体化温度在880～920℃范围内的逐渐升高，奥氏体晶粒逐渐长大，试验钢的显微组织由粗短状逐渐向细长的针状、粗大的针叶状贝氏体/马氏体复相组织转变，钢的强度上升，塑韧性下降.

(2)等温温度和残余奥氏体含量对钢的强度影响不大,而对钢的塑韧性影响较为显著. 880 ℃奥氏体化加热温度+保温30 min情况下，随着等温温度的升高,在275～325 ℃等温温度范围内, 残余奥氏体含量逐渐增加，钢的断面收缩率呈上升趋势,在325～375 ℃等温温度范围内，残余奥氏体含量明显下降，钢的断面收缩率开始大幅度的下降，而钢的强度总体呈平缓下降趋势，钢的断面收缩率与残余奥氏体的含量密切相关.

(3)等温热处理工艺为：奥氏体化温度880 ℃×30 min 保温+等温温度325 ℃×2 min保温油冷时, 试验钢可获得强韧性配合良好的贝氏体+马氏体+少量残余奥氏体复相组织,其综合力学性能较佳.

参考文献：

[1] 彭雯雯，曾卫东，康 超，等.热处理工艺对300M超高强度钢组织和性能的影响[J].材料热处理学报， 2012, 33(3).

[2] 冷光荣，武会宾，陈蔚琼，等.热处理工艺对含铜超高强度船板钢组织和性能的影响[J].金属热处理,2010，35(01).

[3] 董 辰，陈雨来，江海涛,等.超高强QP钢淬火温度组织和性能的影响[J].热加工工艺，2009,38(12).

[4] 张宇光,陈银莉,武会宾,等. 等温淬火温度对C-Si-Mn系TRIP钢组织和力学性能的影响[J]. 钢铁, 2008, 20(5).

[5] 古原忠. 钢中马氏体和贝氏体基体组织的特征[J].热处理,2009,24(02).

[6] 方鸿生, 刘东雨, 常开地,等.1500 MPa 级经济型贝氏体/ 马氏体复相钢的组织与性能[J].钢铁研究学报 ,2001,13(03).

[7] 居殿春,竺培显,颜慧成,等.残余奥氏体对TRIP钢机械性能的影响[J].冶金丛刊,2008 (02).