奧氏體化條件對675裝甲鋼中馬氏體相變的影響

喬志霞，李連進，寧保群

（1天津商業(yè)大學 機械工程學院，天津 300134；2天津理工大學 材料學院，天津 300191）

675裝甲鋼是一種V微合金化Cr－Ni－Mo中碳低合金超高強鋼，主要用于坦克和裝甲車輛上作為結構和防護材料。Ni，Cr主要是強化鐵素體和提高淬透性，Mo能提高奧氏體穩(wěn)定性，同時具有沉淀強化的作用，V的加入能起到細化晶粒和沉淀強化的作用，多種強化機制共同作用使該鋼具有優(yōu)良的動態(tài)力學性能和抗侵徹能力［1－3］。由于該鋼重要的戰(zhàn)略地位，合理設計制造該鋼的熱處理工藝、挖掘其性能潛力尤為重要。該鋼由調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展而來，為充分發(fā)揮其性能潛力，目前其制造主要采用淬火＋高溫回火熱處理工藝進行強化以達到超高強度和足夠的韌性［4－6］。其中，奧氏體化過程是熱處理工藝的第一步，奧氏體化條件決定淬火冷卻前奧氏體初始狀態(tài)，直接影響淬火后獲得馬氏體的組織形態(tài)，對服役狀態(tài)下的性能產(chǎn)生重要影響。對675裝甲鋼而言，微合金元素釩的加入會在鋼中形成諸如V4C3等彌散分布的強碳化物，這些碳化物顆粒在奧氏體化過程中阻礙奧氏體晶粒長大而起到細化晶粒的作用［7－9］；同時，這些碳化物顆粒需要在奧氏體化過程中溶解進入奧氏體，進而在后續(xù)冷卻或回火過程中析出，起到沉淀強化的作用，這就使得奧氏體化條件對675裝甲鋼相變過程的影響變得復雜［10，11］。本工作就奧氏體化過程中奧氏體化加熱溫度和保溫時間兩個重要參數(shù)對675裝甲鋼淬火冷卻過程中馬氏體相變的影響進行了系統(tǒng)研究。研究過程利用熱膨脹試驗，并結合顯微組織分析。本研究期望為該鋼熱處理生產(chǎn)過程中奧氏體化工藝優(yōu)化提供理論參考。

1 實驗方法

實驗用675裝甲鋼的化學成分如表1所示。熱處理實驗是在DIL805A／D差分膨脹儀上進行，試樣尺寸為φ5mm×10mm，利用線切割的方法取自經(jīng)均勻化處理的熱軋鋼板。為研究奧氏體化條件對675裝甲鋼淬火冷卻過程中馬氏體相變的影響，實驗分兩組，A組用于考察奧氏體化加熱溫度不同對馬氏體相變的影響，B組用于考察保溫時間不同對馬氏體相變的影響。A組具體熱處理工藝為：將膨脹試樣以10℃／min的速率分別加熱到850，900，950，1000，1100，1200℃，保溫10min，然后以2000℃／min的速率連續(xù)冷卻至室溫。B組熱處理工藝為：將膨脹試樣以10℃／min的速率加熱到900℃，分別保溫2，20，30，60min，然后以2000℃／min的速率連續(xù)冷卻至室溫。實驗過程中得到線膨脹量與溫度關系曲線，利用切線法可以確定相變臨界溫度［12］。

為顯示原奧氏體晶界，金相試樣用過飽和苦味酸溶液腐蝕。原奧氏體晶粒尺寸用平均截距法來測定［13］。用4%（體積分數(shù)）的硝酸酒精溶液腐蝕以顯示冷卻后獲得馬氏體顯微組織。金相觀察采用BX51型光學顯微鏡。

表1 實驗鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)／%）Table 1 Chemical composition of the experimental steel（mass fraction／%）

2 實驗結果與分析

2.1 奧氏體化臨界溫度

圖1為675裝甲鋼以10℃／min加熱奧氏體化過程中的線膨脹曲線，利用切點法可以確定該鋼奧氏體化開始溫度（Ac1）和終了溫度（Ac3）分別為727℃和786℃。由此可知，實驗中各試樣在不同奧氏體化條件下均發(fā)生了完全奧氏體化。

圖1 675裝甲鋼奧氏體化過程中的線膨脹曲線Fig.1 Dilatometric curve showing the austenitization transformation in 675armor steel

2.2 原奧氏體晶粒尺寸

奧氏體化溫度的升高和保溫時間延長均會增大形成奧氏體的晶粒尺寸，圖2是四個典型試樣所得原奧氏體晶粒光學照片。用奧氏體晶粒平均截距長度表示奧氏體晶粒尺寸，可得奧氏體晶粒尺寸與奧氏體化溫度和在900℃保溫時間之間的變化關系，如圖3（a），（b）所示。對比圖3（a），（b）可見，奧氏體晶粒大小隨奧氏體化溫度升高和隨保溫時間延長而增大的具體情況有很大差別。

圖2 不同奧氏體化條件典型試樣原奧氏體晶粒光學照片（a）850℃×10min；（b）1100℃×10min；（c）900℃×2min；（d）900℃×60minFig.2 Optical micrographs showing the prior austenite grains in 675armor steel specimens under different austenitization conditions （a）850℃×10min；（b）1100℃×10min；（c）900℃×2min；（d）900℃×60min

圖3 675裝甲鋼不同條件奧氏體化所得奧氏體晶粒尺寸 （a）不同奧氏體化溫度下；（b）在900℃保溫不同時間Fig.3 Austenite grain size in 675armor steel specimens under different austenitization conditions（a）as a function of austenitization temperature；（b）as a function of holding time at 900℃

首先，奧氏體化溫度對奧氏體晶粒尺寸的影響程度遠大于奧氏體化保溫時間對奧氏體晶粒尺寸的影響。當奧氏體化保溫時間由2min延長到60min，奧氏體晶粒大小從10μm增加到22μm，晶粒度級別都在8級左右，屬于細晶粒水平；而當奧氏體化溫度從850℃增加到1200℃，奧氏體晶粒由10μm增加到200μm，晶粒嚴重粗化。

其次，隨奧氏體化溫度升高和保溫時間延長，奧氏體晶粒尺寸都非均勻長大，但兩者對奧氏體晶粒尺寸影響的變化趨勢不相同。奧氏體化溫度的影響如下：當奧氏體化溫度低于1000℃時，奧氏體晶粒尺寸緩慢增長，當奧氏體化溫度超過1000℃后，奧氏體晶粒長大的速率迅速加快。因此可以確定675裝甲鋼奧氏體晶粒粗化臨界溫度為大約1000℃。利用回歸分析法擬合奧氏體晶粒尺寸與奧氏體化溫度間的變化關系，得：

L＝－2849.9－9.6T－1.1×10－2T2（1）式中：L為奧氏體晶粒平均截距長度（μm）；T為奧氏體化加熱溫度（℃）。奧氏體化保溫時間對晶粒尺寸的影響情況為：在保溫時間較短時（小于30min）奧氏體晶粒長大較快，之后奧氏體晶粒尺寸趨于飽和，隨保溫時間延長幾乎不再進一步長大。

2.3 馬氏體顯微組織

圖4 不同奧氏體化條件典型試樣中馬氏體組織光學照片 （a）850℃×10min；（b）1100℃×10min；（c）900℃×2min；（d）900℃×60minFig.4 Optical micrographs showing the martensite in 675armor steel specimens under different austenitization conditions（a）850℃×10min；（b）1100℃×10min；（c）900℃×2min；（d）900℃×60min

675裝甲鋼經(jīng)不同條件奧氏體化后以2000℃／min快速冷卻至室溫得到的組織均為板條狀和針狀混合馬氏體。圖4顯示的是與圖2中四個典型試樣相對應的馬氏體顯微組織，圖4中單箭頭指示的是高碳針狀馬氏體，圓圈指示的是板條馬氏體束。由圖4中可見，當原奧氏體晶粒尺寸較大時，獲得馬氏體針或板條束的尺寸也較大，即發(fā)生了“組織遺傳”現(xiàn)象。在小尺寸奧氏體晶粒情況下，板條馬氏體的板條寬度很小，板條界不能利用通常所用的4%硝酸酒精溶液腐蝕顯示出來，因此顯示為淺灰色基體（如圖4（a），（c），（d）），當奧氏體晶粒大到一定程度，馬氏體板條加寬、變長，板條界也就能顯示出來了，馬氏體板條束越來越清晰可見，如圖4（b）中方框所示。在晶粒尺寸較大的奧氏體晶粒中可以清楚看到，同一位相馬氏體板條束的長度貫穿整個原奧氏體晶粒（如圖4（b））。

2.4 馬氏體相變點（Ms）

Ms溫度的高低表示馬氏體相變的過冷程度，它反應使馬氏體相變得以進行所需的最小化學驅動力的大小，即Ms越低，則相變的滯后程度越大，相變所需驅動力越大；反之，相變所需驅動力越小。通過對Ms點變化的分析，可以獲取關于馬氏體相變的許多有用信息。在連續(xù)冷卻過程中所獲得的線膨脹曲線上利用切點法可以確定馬氏體相變溫度（Ms），結果如表2所示。奧氏體晶粒大小對馬氏體相變點具有最直接的影響，圖5顯示不同條件奧氏體化試驗鋼的Ms點隨原奧氏體晶粒尺寸的變化關系。由圖5可見，675裝甲鋼馬氏體相變點隨奧氏體晶粒尺寸變化顯著，整體趨勢是先升高、后降低，即當奧氏體晶粒尺寸小于大約30μm時，Ms點隨奧氏體晶粒增大而迅速升高，之后，隨奧氏體晶粒增大而下降。本實驗中950℃×10min奧氏體化的試樣具有最高Ms點，為322℃，與最低Ms點相差近20℃。zation conditions in 675armor steel

表2 不同條件奧氏體化的675裝甲鋼馬氏體相變點Table 2 Mstemperatures obtained under different austeniti

圖5 675裝甲鋼不同奧氏體化條件下獲得奧氏體晶粒尺寸對Ms溫度的影響Fig.5 Mstemperatures as a function of austenite grain size obtained under different austenitization conditions in 675armor steel

2.5 討論

奧氏體化溫度和保溫時間不同程度地影響675鋼原奧氏體晶粒尺寸。馬氏體組織對奧氏體晶粒有明顯的“組織遺傳”作用。奧氏體晶粒粗化會使馬氏體板條加寬、板條束變大變長，馬氏體針也變大變長。嚴格控制奧氏體化加熱溫度對有效控制馬氏體組織起著關鍵作用。

在675裝甲鋼中，釩微合金化使鋼中存在彌散分布的以V4C3為主要形式的釩的碳化物，它們作為第二相質(zhì)點對于阻礙奧氏體晶界移動起著重要作用。根據(jù)Woodhead［14］固溶度積公式計算可知，V4C3在奧氏體中固溶溫度為1019℃；研究［14］還表明V4C3碳化物質(zhì)量分數(shù)隨奧氏體化溫度升高而降低，當奧氏體化溫度為大約1000℃時V4C3碳化物全部消失。這些與圖3中所示675裝甲鋼在奧氏體化溫度超過1000℃以后晶粒開始迅速粗化的結果相一致，說明奧氏體化溫度在1000℃之上釩就會失去細化晶粒的作用。

在900℃保溫，隨保溫時間的延長，奧氏體晶粒尺寸長大較緩慢，保溫時間由2min增加到60min，奧氏體晶粒尺寸從10μm僅增加到了22μm。保溫時間對奧氏體晶粒尺寸的影響程度遠不如奧氏體化溫度的影響，這說明釩碳化物溶解進入奧氏體以及奧氏體晶粒的長大的驅動力都主要來自奧氏體化溫度的升高，而非時間的延長。

馬氏體相變動力學會受到原奧氏體晶粒尺寸大小的影響。一方面，隨奧氏體晶粒尺寸的長大，晶界面積減少，晶界對馬氏體相變切變的阻力減少，因此發(fā)生馬氏體相變時切變所需的能量減小，即相變所需的最小驅動力減小，從而引起馬氏體相變點（Ms）上升。另一方面，在675裝甲鋼中，當奧氏體晶粒尺寸達到一定程度后，奧氏體晶粒的進一步長大伴隨著釩微合金碳化物向奧氏體中的迅速溶解，即母相奧氏體中碳及釩等溶質(zhì)原子濃度越來越高。溶質(zhì)原子濃度的增加會促進母相強度提高，尤其是碳原子能在位錯附近偏聚，起到釘扎位錯的作用。因此，奧氏體晶粒尺寸超過一定程度后，晶粒尺寸增大的同時伴隨馬氏體相變所需驅動力增大，促使Ms點降低。在上述兩種因素綜合作用下，造成圖5中Ms點隨奧氏體晶粒尺寸增大先升高、后降低的變化趨勢。當釩微合金碳化物未溶解進入奧氏體時，前者起主要作用，之后，晶粒粗化顯著，后者起主要作用。

3 結論

（1）奧氏體化溫度對原奧氏體晶粒尺寸的影響程度遠大于保溫時間，因此在675裝甲鋼熱處理生產(chǎn)中控制加熱溫度對組織控制相對更為關鍵。

（2）奧氏體化過程中，675裝甲鋼中釩微合金碳化物（V4C3）在大約1000℃能全部溶入到奧氏體中，因此奧氏體晶粒粗化溫度在1000℃之上。

（3）675裝甲鋼中馬氏體相變點Ms受到奧氏體晶粒尺寸和釩微合金碳化物向奧氏體中溶解程度兩個因素綜合作用。

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