中碳低合金貝氏體鋼力學性能研究

宋春梅，焦玉鳳，張德秋

（佳木斯大學材料科學與工程學院，黑龍江佳木斯 154007）

1 目的與意義

20世紀20年代，Robertson首先發(fā)現(xiàn)鋼的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物[1-4]，隨后Devenport和Bain等人對這種組織進行了大量細致的研究[5-9]，直到1934年“貝氏體”術(shù)語的提出[10]，貝氏體結(jié)構(gòu)及其相變機制一直是人們研究的重點。貝氏體鋼的研究，主要集中在低碳鋼和較為復(fù)雜的熱處理工藝上。從中碳低合金鋼入手，采用鑄態(tài)空冷技術(shù)，能獲得更高的硬度和耐磨性，并能在很大程度上減少鋼的熱處理環(huán)節(jié)，減少因一般淬火時快速冷卻引起的變形和開裂的傾向，比如：等溫淬火，扎制等。最終制成一種生產(chǎn)工藝簡便、成本低、耐磨性好、抗斷裂能力強的鑄態(tài)空冷貝氏體鋼[11-13]。可以代替高鉻鑄鐵和鎳硬鑄鐵應(yīng)用到破碎機和球磨機的襯板上，以提高它們的使用壽命。

2 實驗內(nèi)容和方法

首先對合金進行合理的成分設(shè)計，精確配料后采用砂型鑄造工藝，使用10 kg中頻感應(yīng)爐進行澆鑄，制備后的試樣經(jīng)過淬火和回火后，對試樣進行粗磨，然后使用HR-150A洛氏硬度計測量試樣的硬度；使用ZBC-300B全自動金屬擺錘沖擊實驗機對打完硬度的試樣進行無缺口的沖擊，記錄下相應(yīng)試樣的沖擊值αk（J/cm2）.然后在GX71奧林巴斯金相電子顯微鏡下觀察沖擊斷口掃描組織。

3 結(jié)果與討論

對熔煉后的三組合金進行性能測試，三組合金各元素含量如表1所示。

實驗采用正交設(shè)計法進行，圖1所示為3種合金最優(yōu)熱處理工藝所得照片。由圖1所示，A成分的試樣含有大量粒狀貝氏體，并對試樣進行洛氏硬度測試，測試結(jié)果為43.5，B、C成分的鋼主要含有很多針狀的下貝氏體，洛氏硬度分別為53.8和58.5，由測試后的硬度值可以看出，試樣的微觀組織對性能有較大的影響，因為B、C合金中主要是含有大量針狀下貝氏體，并且B中的含量要高于C合金，所以B、C合金的硬度高于A合金，但同時韌性明顯下降。

表1 熔煉合金元素含量（質(zhì)量分數(shù)，%）

圖1 3種不同成分貝氏體鑄鋼的金相組織（×1000）

圖1A成分的鋼中含大量粒狀貝氏體，所以它的硬度比其他兩個合金低[14,15]，而沖擊韌性高。B、C成分的鋼主要含有很多針狀的下貝氏體，因此，他們的硬度非常高，而沖擊韌性明顯下降。B中的下貝氏體含量高于C成分的，這也通過力學性能體現(xiàn)出來：B成分的綜合性能稍優(yōu)于C成分。

本實驗對各種合金進行了沖擊韌性測試。圖2為不同淬火溫度對試樣硬度和沖擊韌性的影響。

圖2a）組試樣，從中可以看出940℃奧實氏化加熱可以獲得硬度，沖擊韌性值綜合力學性能。圖2b）表明在此成分920℃奧氏體化獲得很好的綜合力學性能，圖2c）的沖擊韌性值與奧氏體化溫度的關(guān)系，開始硬度曲線不斷升高，而沖擊韌性曲線變化不大，到960℃時達到很好結(jié)合。顯示了很好的綜合力學性能。硬度與韌性的綜合分析與合金組織有密切的關(guān)系，B合金的韌性低于A、C合金，A合金的韌性值遠遠高于其他兩種合金，這主要是由于奧氏體后各種合金內(nèi)部組織發(fā)生了變化，導(dǎo)致性能之間的差異。為了進一步分析合金的性能機理，對斷口進行了掃描分析，如圖3所示。

圖2 淬火溫度對試樣硬度和沖擊韌性的影響

圖3 掃描斷口SEM照片

A成分鑄鋼由于碳質(zhì)量分數(shù)比較低，并且生成了大量的粒狀貝氏體，所以它的斷裂方式應(yīng)該是韌性斷裂，并且從圖中可以觀察到斷口存在有大量的韌窩，所以可以判斷A合金主要是韌性斷裂。B成分和C成分鑄鋼的碳質(zhì)量分數(shù)比較高，奧氏體化后生成了大量的下貝氏體組織。斷中掃描清晰看出，含有大量的臺階和光滑的準解理面，所以它的斷裂方式應(yīng)該是脆性斷裂。

4 結(jié)論

1）成功制成一種成分以 w（C）：0.35%～0.5%，w（Cr）：1.5%，w（Mn）：0.5%～1.5%，w（Si）:0.5%～1.5%，w（Cu）：0.5%～1.5%為主要添加元素的低成本中碳合金鑄鋼。

2）鑄造成型后在880℃～960℃范圍內(nèi)加熱奧氏體化直接空冷均獲得以貝氏體為主含少量殘余奧氏體的組織。

3）實驗鋼經(jīng)920℃奧氏體化具有很好的強韌配合：硬度≥53 HRC；αK≥23 J/cm2.

［1］吳伯濤. 熱處理工藝對新型貝氏體鋼組織與性能的影響［D］.長沙中南大學，2005.

［2］孫德勤，吳春京，謝建新.貝氏體鋼的研究開發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展前景探討［J］.機械工程材料，2003（6）：4-7.

［3］方鴻生，王家軍，楊志剛，等.貝氏體相變［M］.北京：科學出版社，1999.

［4］方鴻生，白秉哲，鄭秀華，等.粒狀貝氏體和粒狀組織的形態(tài)與相變［J］.金屬學報，1986,22（4）:283-288.

［5］方鴻生，鄭燕康，黃進峰，等.我國貝氏體鋼的前景［J］.金屬熱處理，1998（7）:11-14.

［6］康沫狂，賈虎生，楊延清，等.新型系列準貝氏體鋼［J］.金屬熱處理，1995（12）:3-5.

［7］李風照，敖青，姜江，等.超細組織空冷貝氏體鋼［J］.金屬熱處理，1998（1）:5-7.

［8］劉文言，曲敬信，邵荷生.新型奧氏體-貝氏體鋼的力學性能［J］.金屬熱處理，1996（12）:11-14.

［9］王貴，郭長慶，張明星.Si-Mn-Mo系貝氏體鋼組織和性能的研究［J］.金屬熱處理，1995（8）:9-15.

［10］Nakasuki H，Matsuda H，Tamahiro H.Development of controlled rolled ultra-low-carbon bainitic steel frlarge2diameterlinpipe［G］//Processings alloys for the eighties Greenwich Climax Molybdenum Company，1980：213-224

［11］董成瑞，任海鵬，金同哲，等.微合金非調(diào)質(zhì)鋼［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2000:15-23.

［12］Caballelo F G，Bhadeshia HKDH，Mawella KJA，etal.Design of novel high strength bainitic steels:part1［J］.Materials Scienceand Technology，2001，17:512-516.

［13］Caballelo FG，Bhadeshia HKDH，Mawella KJA，etal.Design of novel high strength bainitic steels:part2［J］.Materials Scienceand Technology，2001，17:517-522

［14］陳秀云，方鴻生.硅對易切削貝氏體塑料模具鋼性能的影響［J］.兵器材料科學與工程，1999，22（4）:24-26.

［15］方鴻生，徐平光，白秉哲，等.一種新的復(fù)相組織仿晶界型鐵素體 /粒狀貝氏體［J］.金屬熱處理，2000（11）:1-5.