亚共析钢的亚温淬火及其强韧化_张永峰

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亚共析钢的亚温淬火及其强韧化

张永峰, 王任甫, 牛继承

(洛阳船舶材料研究所, 河南洛阳471039)

摘

要：概括介绍了亚共析钢亚温淬火的强韧化效应、机理及其影响因素，对使用性能有特殊要求的钢种亚温淬火

热处理工艺的制定具有一定指导作用。

关键词：亚共析钢；亚温淬火；强韧化；机理；影响因素中图分类号：TG156.3

文献标识码：A

文章编号：1001-3814(2011)04-0163-04

Strengthening and Toughening Effect of Subcritical Quenching for

Hypoeutectoid Steel

ZHANG Yongfeng, WANG Renfu, NIU Jicheng

(Luoyang Ship Material Research Institute , Luoyang 471039, China )

Abstract ：The strengthening and toughening effects, mechanism and effect factors of subcritical quenching for hypoeutectoid steel were overviewed. It has certain guidance role in formulating the heat treatment of subcritical quenching for the steel which has special requirements in performance.

Key words ：hypoeutectoid steel; subcritical quenching; strengthening and toughening; mechanism; factors

按照传统热处理观念，亚共析钢淬火必须进行完全奥氏体化，即完全淬火，其目的是避免钢中出现未溶铁素体，使钢获得马氏体组织，以保证其具有较高的强度。但由于钢淬火时加热温度较高，易使钢中出现裂纹和产生较大的变形，从而影响钢的韧性，尤其对形状复杂的零件更为严重[1-2]。然而，近些年来国内外的研究结果表明，对亚共析钢采用亚温淬火，则可在不降低钢强度的同时提高其韧性。

所谓亚温淬火即亚共析钢的不完全淬火，或称临界区淬火、两相区加热淬火，是指将具有平衡态或非平衡态原始组织的亚共析钢，加热至铁素体+奥氏体双相区的一定温度区间(Ac 1～Ac 3) ，保温一定时间后进行淬火的热处理工艺。亚温淬火是一种新型的、利用超细化复合组织强韧化的热处理工艺[3]。

基于此，本文对亚共析钢亚温淬火的强韧化机理、效果以及影响因素等进行了详细介绍，以期为亚共析钢亚温淬火热处理工艺的制订提供技术参考。

淬火分为高温亚温淬火和低温亚温淬火，其加热温度均处于奥氏体和铁素体两相区，由于较完全淬火加热温度低，因此形成的初始奥氏体晶粒相对比较细小；同时，钢中存在的未溶铁素体以细小的针状或颗粒状弥散分布，对生成的奥氏体晶粒也起到了切割作用，阻碍奥氏体晶粒长大，从而有效细化了钢的奥氏体晶粒。通过对27SiMn 钢进行亚温淬火得到验证[4]，实验钢在920℃完全淬火晶粒度为7级，而

920℃预淬火、830℃亚温淬火的晶粒度可达10级。

从组织和结构遗传两方面分析其原因：经预先淬火后，钢中得到非平衡组织马氏体，具有高密度位错，在(α+γ) 两相区加热时，马氏体位错部分地保留下来，这些位错构成了奥氏体晶核形核中心，增大了奥氏体形核率，因而奥氏体起始晶粒比较细；奥氏体晶粒长大主要表现为晶界迁移，由于组织中存在第二相铁素体，阻碍其晶界迁移，抑制了奥氏体晶粒长大；同时晶界的迁移是原子在晶界附近的扩散，而亚温淬火加热温度较低，不利于原子扩散，因此晶界迁移速度较小，以上因素的综合作用使钢的奥氏体晶粒明显细化。

1亚温淬火强韧化机理

亚温淬火可使钢的晶粒度得到显著细化。亚温

1.1细化晶粒

1.2钢中的未溶铁素体阻碍裂纹扩展

亚温淬火温度较完全淬火的低，因此，钢中保留一部分细小的未溶铁素体。硬度低、塑性好的铁素体的存在能防止应力集中和阻碍裂纹扩展，故能提高

收稿日期:2010-08-13

作者简介:张永峰(1986-), 男, 陕西咸阳人, 硕士研究生, 研究方向为材

料学; 电话:[1**********];E-mail:[email protected]

《热加工工艺》2011年第40卷第4期163

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钢的低温韧性。材料在断裂前，裂纹是在其尖端塑性区扩展的，在双相合金中当塑性区半径大于晶粒半径时，裂纹沿较软相扩展[5]；铁素体与马氏体呈针状时，脆性相马氏体被塑性相铁素体最大限度地分割开，故断裂时裂纹不仅通过马氏体，还必然通过铁素体而扩展，由于铁素体在断裂前发生大量塑性变形而消耗较多能量，从而使韧性升高[6]；另外，裂纹扩展到韧性相未溶铁素体时，由于扩展受阻或被迫改向阻力较小及危害性较小的方向，例如分层，从而松弛能量，提高韧性[7]。30CrMnSiA 钢的亚温淬火工艺研究就证明了上述结果[8]。

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变，而抗拉强度明显升高。通过扫描电镜观察亚温淬火后钢的组织形态发现，亚温淬火时，奥氏体化温度较低，奥氏体晶粒均匀细小，淬火后尺寸细小的奥氏体核形成细小的贝氏体团。奥氏体晶粒和未奥氏体化部分的尺寸趋于一致，未奥氏体化的部分保持准多边形铁素体和针状铁素体形态。由于贝氏体团细小均匀，且准多边形铁素体和针状铁素体具有良好的韧性和低的屈服强度，因此能够有效地阻止裂纹扩展，从而使钢的韧性大大提高，同时具有低的屈强比。

2.2降低钢的韧脆转变温度

亚温淬火不仅能提高许多钢的低温韧性，而且对不同钢在不同程度上还能起到降低其韧脆转变温度的作用。以40Cr 钢[13]为例，经亚温淬火后，40Cr 钢的金相组织为少量游离铁素体+回火索氏体+弥散分布的细小残余奥氏体。由于残余奥氏体的存在使裂纹的扩展变得困难(因受塑性变形或产生部分马氏体转变使应力松弛) ，使钢的脆性降低，韧脆转变温度下降近20℃。使40Cr 钢能在更低的温度下使用，从而扩大了其使用范围。

1.3改善有害杂质元素的分布

利用俄歇谱仪观察发现，可逆回火脆性是有害杂质元素(P、Sn 、Sb 、S 等) 在原奥氏体晶界及显微裂纹表面发生偏聚，并使晶界脆化的结果。而Ni 、Cr 等合金元素不仅促进杂质元素的偏聚，且自身也会偏聚，从而降低晶界的断裂强度，产生回火脆性[9]。

亚温淬火能改善有害杂质元素在钢中的分布，主要从以下两方面进行解释：一方面，在奥氏体和铁素体两相区加热时，钢中的晶粒得到细化，晶粒体积减小，表面积与体积的比上升，总晶界面积明显增多，铁素体与奥氏体晶界的面积，即α/γ界面较常规淬火组织里的奥氏体晶界面积大10～50倍，由于总晶界面积增大，晶界增多，故单位面积上的有害杂质元素(P、Sn 、Sb 、S 等) 含量减少，有效地减少了有害杂质元素的偏聚；另一方面，亚温淬火后组织为奥氏体与铁素体，其中生成的铁素体主要起净化作用，由于杂质元素在铁素体中的溶解度远大于在奥氏体中的溶解度，对杂质元素起富集作用，有效地抑制了有害杂质元素在奥氏体晶界上的偏聚[10]。

2.3抑制钢的可逆回火脆性

亚温淬火在某些情况下可以有效抑制某些钢的可逆回火脆性。亚温淬火通过获得对强化晶界有利的组织形态[14]、降低铁素体中碳含量[15]、改变杂质元素在α和γ相中的分配比等方式有效地抑制钢的可逆回火脆性。

以4Cr9Si2钢为例[16]，经亚温淬火后，由于第二次不完全淬火前的组织是淬火马氏体，在第二次加热保温时，碳化物溶解更加完全，奥氏体成分更均匀化；此外由于二次加热温度低于Ac 3点，奥氏体晶粒未能长大就可获得更细小的马氏体，同时保留了少量铁素体，因此能提高4Cr9Si2钢的韧塑性，从而有效地抑制其可逆回火脆性倾向。

2亚温淬火强韧化效果表征

亚温淬火能够在不降低强度的条件下显著提高

2.1提高钢的塑韧性

钢的低温韧性。以20SiMnTi 为例[11]，当在相同的预处理及后续的回火处理时，随亚温淬火温度的降低，钢的强度和硬度略有降低，但伸长率和断面收缩率明显上升，说明亚温淬火能够在不降低强度的前提下使钢的塑形得到改善。对低碳贝氏体钢进行亚温淬火，可显著改善钢的低温冲击韧度，并有效降低钢的屈强比。文献[12]表明，通过亚温淬火，实验钢在-20℃的A kv 值是原来的6～8倍，其屈服强度不

3影响亚温淬火强韧化效果因素

平衡态或非平衡态亚共析钢的原始组织对亚温

3.1原始组织

淬火强韧化效果有显著影响。通过对原始组织为马氏体、上贝氏体、下贝氏体、正火态(铁素体+珠光体) 的30CrMnSiA 钢[17-18]进行亚温淬火发现，几种不同原始组织的钢加热到两相区同一温度时，所形成的奥氏体量可以认为基本相同，但原始组织为非平衡态的性能明显优于平衡态。

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原始组织为马氏体和贝氏体的钢加热到两相区后所形成的奥氏体与铁素体呈相互间隔的平行条状组织，淬火后即为马氏体和铁素体条状组织。一方面，针状铁素体及其分布对提高钢的强度、塑性和韧性均有贡献[19]；另一方面，这种组织类似于“纤维增强复合材料”，即韧性相铁素体间隔包围了强化相纤维状马氏体，对提高钢的强韧性起了有益的作用。

至于具有正火态原始组织的钢，经亚温淬火后则形成块状铁素体。对钢的性能特别是低温韧性具有一定程度的恶化作用。所以，经亚温淬火后它的强度明显低于同一温度下淬火的非平衡组织钢。因此，亚温淬火后的强度不仅取决于强化相马氏体的含量，而且取决于韧性相铁素体的形态和分布。通过对不同原始组织的20SiMnTi 钢[20]亚温淬火后的力学性能进行对比，结论与上面相同。总而言之，经亚温淬火后，钢的强韧化效果与马氏体和铁素体的相对含量和组织形态有关。

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淬火试验研究发现[21]：经过第一次淬火的15Cr 钢在亚温区淬火，随着亚温淬火温度的升高(小幅度的升高) ，铁素体相对含量逐渐减少，分布和尺寸大小也由大条块状变为小条状。由于15Cr 钢经第一次淬火后，组织为低碳马氏体，当第二次淬火加热到Ac 1以上温度时，低碳马氏体首先迅速分解，生成铁素体和奥氏体，且铁素体和奥氏体的相对数量受转变温度的制约，转变温度越低，奥氏体量越少，铁素体越多；相反，转变温度越高，奥氏体量越多，铁素体越少。因而，在亚温区靠近Ac 1温度淬火时，淬火组织中存在大量大条块状铁素体。随淬火温度的升高，碳原子不断扩散，奥氏体逐渐向铁素体内延伸，铁素体的相对数量、尺寸逐渐减少，铁素体晶粒之间的间距逐渐加大，当淬火温度靠近Ac 3时，只剩下少量弥散分布的细条状铁素体。

3.4亚温淬火后回火温度

回火温度是影响亚温淬火强韧化效果的显著因素之一，对此已有不少研究。但对于回火温度对强韧化效果的影响目前仍有较大争议。文献[22]认为经高温回火后，含碳量愈低亚温淬火效果愈佳，而随钢中含碳量增加不明显；文献[23]研究结果表明：低碳钢低中温回火后效果佳，高温回火无效果，而中碳钢不同，低温回火后钢中若含α组织其韧性就会下降，但经高温回火后表现出良好的强韧性效果。有鉴于此，文献[24]对20钢、45钢进行了亚温淬火研究，结果表明：回火温度对亚温淬火强韧化效果有明显影响且比较复杂。在同一种钢中，回火温度不同亚温淬火强韧化效果不同，20钢低温回火态效果最佳，而45钢则经中、高温回火后有良好的强韧化效果。在含碳量不同的钢之间，回火温度相同，亚温淬火的强韧化效果亦不同。因此，简单地以某一回火温度下的强韧化效果来评定其在不同钢中亚温淬火的强韧化作用是不恰当的。

3.2进入临界区的方式

钢以何种方式进入临界区(又称双相区或两相区) 会影响铁素体的形态和分布，从而影响亚温淬火的强韧化效果。进入临界区的方式有两种：一种是将钢先加热至Ac 3以上进行奥氏体化，然后冷至临界区，即所谓“从上进入”；另一种是将钢由室温直接加热至临界区，即所谓“从下进入”。从上进入临界区时，铁素体沿奥氏体晶界析出或在奥氏体晶内成对析出，一般较粗大，且分布不均匀，对钢的低温韧性产生较大的损害；而“从下进入”临界区时，铁素体是未溶解完全而残留的相，呈细小的针状或颗粒状，且均匀地弥散分布，对生成的奥氏体晶粒起切割作用，阻碍奥氏体晶粒长大，同时，弥散分布的未溶铁素体作为第二相粒子，起沉淀强化作用，因而对钢的强韧性有较大的提高。由于这两种进入临界区方式的不同，亚温淬火后所得组织亦不同，故对其产生的强韧化效果亦不同[3]。根据强韧化效果的不同，人们通常采用将钢由室温直接加热至临界区，即所谓“从下进入”的方式进行亚温淬火。

3.5亚温淬火及回火后形成的逆转变奥氏体

逆转变奥氏体对提高钢的低温韧性起着重要作用。逆转变奥氏体不同于一般奥氏体，它是某些钢在

3.3亚温淬火温度

亚温淬火温度是影响亚温淬火强韧化效果的最显著因素之一，亚温淬火温度以略低于Ac 3为最佳，降低加热温度将导致钢的性能变坏，当温度接近

Ac 1以下附近温度进行回火时，由马氏体逆转而成。

它沿着马氏体相界面析出，含有较高的碳及镍等杂质元素，冷却到极低温度还保持稳定。中温保温时所产生的沉淀奥氏体，再冷却到室温时会有一部分转变成马氏体，留下来的是合金元素高度富集的逆转变奥氏体相[25]。逆转变奥氏体的韧化机理主要体现

Ac 1时，不仅不会起到强韧化效果，还会因在钢中生

成大量块状铁素体而使钢的性能恶化。15Cr 钢亚温《热加工工艺》2011年第40卷第4期

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在以下两个方面：一方面，逆转变奥氏体阻止裂纹的扩展及裂纹尖端钝化效应，当裂纹尖端遇到逆转变奥氏体区域时，将发生尖端转向和分叉，增加能量的消耗与吸收，从而使裂纹尖端受阻，即裂纹尖端钝化机理。另一方面，逆转变奥氏体能吸收使铁素体变脆的C 、N 等元素，从而使马氏体得到净化，进而提高低温韧性，即逆转变奥氏体的净化作用[27]。对合金元素特别是Ni 含量较高的钢(如9Ni 钢[28]、5NiCr-[13]

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4结语

亚温淬火作为一种新型热处理工艺，在提高亚

共析钢的强韧性方面发挥了十分重要的作用。尽管其理论研究还有待于突破，并在实际应用中还有较多的局限性，但随着人们认识水平的提高和实践经验的积累，必将在实际生产中发挥更大的作用。参考文献:

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