塑性变形对GCr15钢离异共析转变的影响

陈俊霖，李进飞，徐荧，尹志新

塑性变形对GCr15钢离异共析转变的影响

陈俊霖，李进飞，徐荧，尹志新

（广西大学材料科学与工程学院，广西南宁530004）

利用Gleebe-3500热模拟试验机首先对GCr15钢在以0.5℃/s的速度降温时的相变点进行了测试，然后模拟了两相区塑性变形（奥氏体+碳化物）和三相区（奥氏体+铁素体+碳化物）塑性变形，通过硬度测试和金相分析，考察了不同温度区间变形和变形量大小对GCr15钢共析转变的影响。认为奥氏体化保温时间的延长，由于碳的溶入增加，会使得共析转变区间的温度范围变窄，从而引起离异共析转变温度发生改变。两相区塑性变形量的大小对碳化物的析出有影响，塑性变形量增加，共析转变过程中碳化物析出趋于充分，导致共析转变后硬度偏低；三相区塑性变形对片状碳化物的形成可能有促进作用，导致微区细珠光体组织，使得共析转变后硬度偏高。

轴承钢；离异共析转变；塑性变形；球化退火

GCr15钢是一种综合性能良好的高碳铬轴承钢，具有高的接触疲劳性能、硬度和耐磨性，轴承钢的质量直接影响到装备机械的性能[1]。为了改善切削加工性能，需要对GCr15钢进行球化退火，球化退火的质量也会影响到轴承的疲劳寿命。研究表明[2-3]，结合球化退火和塑性变形可以加速珠光体球化，缩短球化退火时间。钢的共析转变有两种模式，一种是传统的片状珠光体析出，而另一种是离异共析转变[4]。在有共析反应的合金中，如果成分离共析点较远，由于先共析相数量较多，共析相组织很少，共析组织中与先共析相相同的那一相会依附于先共析相上长大，另外一个相则独分布于晶界、相界等处析出，使得通常的共析组织两相交替特征消失，这种两相分离的共析过程称为离异共析。高碳铬轴承钢中的离异共析转变对轴承钢的球化具有特殊的意义，由于这种转变是相变驱动力促进的，所以被认为是最有可能实现轴承钢快速球化的依据[5]。

本文基于对GCr15钢共析转变温度范围的测定，运用Gleeble3500热模拟试验机在开始共析转变温度附近和转变温度区间较高温度对GCr15钢进行塑性变形，考察变形对离异共析转变的影响。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

本实验使用的是某钢厂生产的热轧态GCr15轴承钢，实验材料为φ16 mm圆钢，实验用钢化学成分如表1所列。

表1 实验用GCr15轴承钢的化学成分（质量分数，%）

1.2 实验方法

1.2.1 临界点测试

使用线切割将试样加工为φ6×71 mm圆柱试样，通过Gleeble-3500热模拟试验机测定GCr15钢的共析相变临界点。在500℃以下，试样以5℃/s（≤500℃）加热；500℃以上，试样以0.5℃/s加热到850℃，保温，以0.5℃/s的冷却速度连续冷却，测得升温和降温过程中的膨胀曲线。

1.2.2 塑性变形处理

试样加工为φ8×12mm圆柱试样，将试样以5℃/s（≤500℃）加热；在500℃以上，试样以0.5℃/s加热到850℃，保温5 min后，在700℃进行压缩变形，以变形速率为1-1s进行变形，变形量为20%，40%，冷却至685℃保温后淬火。

以同样的方式加热，急冷至700℃以变形速率为1s-1进行压缩变形，变形量为20%，冷却至685℃，以变形速率为1s-1再次变形20%，保温后淬火。

1.2.3 扫描电镜观察与硬度测试

将试样沿心部切开，把断面打磨抛光，并用4%硝酸酒精腐蚀后使用日立SU-8020型场发射扫描电子显微镜观察试样的碳化物情况。每个样品选取6个不同的位置，使用HVT-1000显微维氏硬度计测量样品硬度，测量后的硬度取平均值。

2 结果与讨论

2.1膨胀曲线的测定

实验测得的膨胀曲线如图1所示，图1（a）为加热到850℃保温5 min试样的膨胀曲线，图1（b）为加热到850℃保温0 min试样膨胀曲线。使用Origin 8.0软件分析膨胀曲线，通过切线法测得GCr15钢在以0.5℃/s的速度加热冷却时保温5 min和不保温试样的临界点。测得的临界点如表2所示。

图1 GCr15的膨胀曲线

表2 GCr15的相变临界点（℃）

从图1和表2中可以看出，GCr15钢共析转变的温度均存在一个范围，在此条件下冷却时，奥氏体化保温5 min的试样的共析转变区间的温度范围要比未保温试样的温度范围窄。而随着奥氏体化保温时间的延长，钢中的碳的溶入也会增加，奥氏体化更加均匀，从而引起离异共析转变温度发生改变。

将试样沿心部切开，使用HVT-1000显微维氏硬度计对打磨后的试样进行硬度测试，保温5min试样的平均硬度为287.8 HV，而保温0 min试样的平均硬度为250.5 HV.未保温试样的维氏硬度要低于保温后的试样，这是由于试样保温后钢中碳化物的溶解导致了富碳区不能提供更多的碳化物粒子作为形核核心，共析转变产生了大量的片状珠光体导致硬度上升。

2.2 塑性变形对变形试样碳化物形态的影响

对试样在相变点周围进行塑性变形后淬火，测试其心部硬度，试样硬度如表3所列。

表3 变形试样的硬度

由表3可以看出，变形后的未保温试样相比于未变形淬火试样，硬度稍有下降，考虑是通过塑性变形提供了相变的驱动力，只是由于未经过保温，导致相变发生时间极短，生成的球状碳化物很少，硬度偏高。试样在两相区发生塑性变形保温之后，随着变形量的增大，试样的硬度降低，说明两相区塑性变形量的增大促进了碳化物的析出，但是由于试样硬度仍然偏高，考虑是由于保温时间较短，奥氏体转变不完全，球状碳化物较少，淬火后产生的马氏体含量较高引起。

图2为塑性变形试样在扫描电镜下的心部显微组织。图2中（a）、（d）是两相区塑性变形40%保温30 min的试样，（b）、（e）和（c）、（f）分别是三相区两道次变形20%未保温和保温30 min的试样。由（a）、（d）可见，变形40%保温30 min的试样存在大量碳化物颗粒，部分碳化物颗粒呈短棒状，同时出现二次碳化物。在（b）、（e）中，碳化物颗粒数量较少，且出现大量片状碳化物，而在30 min保温后，在（c）、（f）中可见碳化物颗粒数量增加，部分片状碳化物熔断球化。

图2 变形试样的SEM显微组织

在快速球化中，要得到良好的球化组织，必须保持合适的过冷度[6-7]，而临界过冷度由未溶碳化物的状态决定[8-9]。由图2可以看出，试样都析出了一定量的球状碳化物，相比于未保温试样，保温30min的试样析出的球状碳化物较多，但是保温30 min还是存在较多的片状碳化物，说明球化时间太短，球化碳化物的析出不完全，所以导致试样硬度偏高。在离异共析转变过程中，过冷度决定了碳化物的长大方式，低温变形促进珠光体形核，考虑过冷度的因素结合塑性变形，导致了部分珠光体以片层状析出。而三相区塑性变形对片状碳化物的形成可能有促进作用，产生了微区细珠光体组织，使得三相区塑性变形后的试样硬度偏高。

3 结束语

（1）通过Gleeble3500测定了GCr15离异共析转变临界点。将GCr15钢以0.5℃/s的冷却速度降温时，保温5min的试样离异共析转变范围是689.42℃～670.82℃，不保温的试样离异共析转变范围是695.23℃～666.26℃.随着奥氏体保温时间的延长，离异共析转变温度范围会发生变化。

（2）通过形变实验，发现形变后的试样硬度稍有降低，三相区塑性变形对片状碳化物的形成可能有促进作用，生成了微区细珠光体组织，导致三相区塑性变形后的试样硬度偏高。两相区变形40%的试样在685℃保温30 min后淬火的维氏硬度为228.5 HV.

（3）试样变形后，保温时间过短，奥氏体转变不完全，生成的球状碳化物较少，剩余奥氏体含量较高导致淬火后产生的马氏体含量较高，所以引起试样硬度偏高。

[1]钟顺思，王昌生.轴承钢[M].北京：冶金工业出版社，2000.

[2]郑成思，李龙飞.形变-球化退火共析钢的组织和性能[J].金属热处理，2015（1）：31-34.

[3]晁月林，邓素怀，王丽萍，等.低温轧制温度对GCr15轴承钢组织的影响[J].金属热处理，2014，39（4）：68-71.

[4]J.D.Verhoeven and E.D.Gibson.The Divorced Eutectoid Transformation in Steel[J].Metallurgical and Materials Transaction A.2000，29（1998）：1181-1189.

[5]Verhoeven JD.The role of the divorced eutectoid transforma tion in the spheroidization of 52100 steel[J].Metallurgical and Materials Transactions A-physical Metallurgy and Mate rials Science.2000，31（10）：2431-2438．

[6]袁晓敏，陈明华.GCr15钢奥氏体化工艺对快速球化退火效果的影响[J].热处理，2014（1）：26-30.

[7]陈其伟，关建辉，朱国辉，等.GCr15钢快速球化中离异共析转变临界过冷度的物理模型[J].材料热处理学报，2013，34（4）：182-186.

[8]丁美良，关建辉，DINGMei-liang，等.GCr15钢离异共析转变前沿生长速度的计算[J].热处理技术与装备，2013，34

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[9]穆志勇，王毓德.GCr15钢在离异共析转变过程中临界过冷度的物理模型推导及验证[J].铸造技术，2015（1）：43-45.

The Study of Effecton Divorced Eutectoid Transformation of GGr15 by Deforming Processing in the Two Phase Zone

CHEN Jun-lin，LI Jin-fei，XU Ying，YIN Zhi-xin
（Materials Science and Engineering Institute，Guangxi University，Nanning 530004，China）

The gleeble-3500 testing machine is used to simulate process of plastic deformation in two-phase region of austenite and carbide，and to be done in higher temperature zone of eutectoid transformation range also both for GCr15 steel.Two deformation passes are used in two-phase region and one deformation pass is done in higher temperature zone of eutectoid transformation range after the start and end temperatures of eutectoid transformation of GCr15 are measured respectively by using of the Gleeble-3500 testing machine.The influence on austenitize grains and remained carbide morphology of deformation being conducted are investigated by means of scanning electron microscopy.The hardness of samples is measured with hardness testing machine.The impacting on precipitation，growth as well as morphology of carbides of divorced eutectoid transformation taking place in GCr15 is investigated while plastic deformations are conducted.The results show that the plastic deformation has effect on austenite grain size and amount of remain carbide in austenite.The deformation could help divorced eutectoid transformation，and promote the spheroidization of carbides in GCr15 steel.The hardness of the sample of GCr15 steel is significantly reduced after divorced eutectoid transformation taking place.And the time of the spheroidization of the carbides in GCr15 steel is great shortened.

bearing steel；divorced eutectoid transformation；plastic deformation；spheroidizing annealing

TG156.21；TH142.1

A

1672-545X（2017）02-0124-03

2016-11-09

2015广西有色金属及特色材料加工重点实验室—高碳合金钢离异共析转变机制

陈俊霖（1992-），男，广西桂林人，硕士研究生，研究方向：轴承钢的离异共析转变研究；李进飞（1992-），男，湖北天门人，硕士研究生，研究方向：铝合金的热加工；徐荧（1993-），女，河北唐山人，硕士研究生，研究方向：轴承钢的离异共析转变研究；尹志新（1960-），男，辽宁岫岩人，博士，教授，研究方向：金属材料的组织与性能；高速及超高速碰撞过程中的损伤机理及计算机模拟与防护；金属材料疲劳损伤与机理；结构强度分析与优化。