塑性變形對(duì)GCr15鋼離異共析轉(zhuǎn)變的影響

陳俊霖，李進(jìn)飛，徐熒，尹志新

塑性變形對(duì)GCr15鋼離異共析轉(zhuǎn)變的影響

陳俊霖，李進(jìn)飛，徐熒，尹志新

（廣西大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西南寧530004）

利用Gleebe-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)首先對(duì)GCr15鋼在以0.5℃/s的速度降溫時(shí)的相變點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，然后模擬了兩相區(qū)塑性變形（奧氏體+碳化物）和三相區(qū)（奧氏體+鐵素體+碳化物）塑性變形，通過硬度測(cè)試和金相分析，考察了不同溫度區(qū)間變形和變形量大小對(duì)GCr15鋼共析轉(zhuǎn)變的影響。認(rèn)為奧氏體化保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，由于碳的溶入增加，會(huì)使得共析轉(zhuǎn)變區(qū)間的溫度范圍變窄，從而引起離異共析轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生改變。兩相區(qū)塑性變形量的大小對(duì)碳化物的析出有影響，塑性變形量增加，共析轉(zhuǎn)變過程中碳化物析出趨于充分，導(dǎo)致共析轉(zhuǎn)變后硬度偏低；三相區(qū)塑性變形對(duì)片狀碳化物的形成可能有促進(jìn)作用，導(dǎo)致微區(qū)細(xì)珠光體組織，使得共析轉(zhuǎn)變后硬度偏高。

軸承鋼；離異共析轉(zhuǎn)變；塑性變形；球化退火

GCr15鋼是一種綜合性能良好的高碳鉻軸承鋼，具有高的接觸疲勞性能、硬度和耐磨性，軸承鋼的質(zhì)量直接影響到裝備機(jī)械的性能[1]。為了改善切削加工性能，需要對(duì)GCr15鋼進(jìn)行球化退火，球化退火的質(zhì)量也會(huì)影響到軸承的疲勞壽命。研究表明[2-3]，結(jié)合球化退火和塑性變形可以加速珠光體球化，縮短球化退火時(shí)間。鋼的共析轉(zhuǎn)變有兩種模式，一種是傳統(tǒng)的片狀珠光體析出，而另一種是離異共析轉(zhuǎn)變[4]。在有共析反應(yīng)的合金中，如果成分離共析點(diǎn)較遠(yuǎn)，由于先共析相數(shù)量較多，共析相組織很少，共析組織中與先共析相相同的那一相會(huì)依附于先共析相上長(zhǎng)大，另外一個(gè)相則獨(dú)分布于晶界、相界等處析出，使得通常的共析組織兩相交替特征消失，這種兩相分離的共析過程稱為離異共析。高碳鉻軸承鋼中的離異共析轉(zhuǎn)變對(duì)軸承鋼的球化具有特殊的意義，由于這種轉(zhuǎn)變是相變驅(qū)動(dòng)力促進(jìn)的，所以被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)軸承鋼快速球化的依據(jù)[5]。

本文基于對(duì)GCr15鋼共析轉(zhuǎn)變溫度范圍的測(cè)定，運(yùn)用Gleeble3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)在開始共析轉(zhuǎn)變溫度附近和轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間較高溫度對(duì)GCr15鋼進(jìn)行塑性變形，考察變形對(duì)離異共析轉(zhuǎn)變的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)使用的是某鋼廠生產(chǎn)的熱軋態(tài)GCr15軸承鋼，實(shí)驗(yàn)材料為φ16 mm圓鋼，實(shí)驗(yàn)用鋼化學(xué)成分如表1所列。

表1 實(shí)驗(yàn)用GCr15軸承鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 臨界點(diǎn)測(cè)試

使用線切割將試樣加工為φ6×71 mm圓柱試樣，通過Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)定GCr15鋼的共析相變臨界點(diǎn)。在500℃以下，試樣以5℃/s（≤500℃）加熱；500℃以上，試樣以0.5℃/s加熱到850℃，保溫，以0.5℃/s的冷卻速度連續(xù)冷卻，測(cè)得升溫和降溫過程中的膨脹曲線。

1.2.2 塑性變形處理

試樣加工為φ8×12mm圓柱試樣，將試樣以5℃/s（≤500℃）加熱；在500℃以上，試樣以0.5℃/s加熱到850℃，保溫5 min后，在700℃進(jìn)行壓縮變形，以變形速率為1-1s進(jìn)行變形，變形量為20%，40%，冷卻至685℃保溫后淬火。

以同樣的方式加熱，急冷至700℃以變形速率為1s-1進(jìn)行壓縮變形，變形量為20%，冷卻至685℃，以變形速率為1s-1再次變形20%，保溫后淬火。

1.2.3 掃描電鏡觀察與硬度測(cè)試

將試樣沿心部切開，把斷面打磨拋光，并用4%硝酸酒精腐蝕后使用日立SU-8020型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣的碳化物情況。每個(gè)樣品選取6個(gè)不同的位置，使用HVT-1000顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量樣品硬度，測(cè)量后的硬度取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1膨脹曲線的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的膨脹曲線如圖1所示，圖1（a）為加熱到850℃保溫5 min試樣的膨脹曲線，圖1（b）為加熱到850℃保溫0 min試樣膨脹曲線。使用Origin 8.0軟件分析膨脹曲線，通過切線法測(cè)得GCr15鋼在以0.5℃/s的速度加熱冷卻時(shí)保溫5 min和不保溫試樣的臨界點(diǎn)。測(cè)得的臨界點(diǎn)如表2所示。

圖1 GCr15的膨脹曲線

表2 GCr15的相變臨界點(diǎn)（℃）

從圖1和表2中可以看出，GCr15鋼共析轉(zhuǎn)變的溫度均存在一個(gè)范圍，在此條件下冷卻時(shí)，奧氏體化保溫5 min的試樣的共析轉(zhuǎn)變區(qū)間的溫度范圍要比未保溫試樣的溫度范圍窄。而隨著奧氏體化保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼中的碳的溶入也會(huì)增加，奧氏體化更加均勻，從而引起離異共析轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生改變。

將試樣沿心部切開，使用HVT-1000顯微維氏硬度計(jì)對(duì)打磨后的試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，保溫5min試樣的平均硬度為287.8 HV，而保溫0 min試樣的平均硬度為250.5 HV.未保溫試樣的維氏硬度要低于保溫后的試樣，這是由于試樣保溫后鋼中碳化物的溶解導(dǎo)致了富碳區(qū)不能提供更多的碳化物粒子作為形核核心，共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了大量的片狀珠光體導(dǎo)致硬度上升。

2.2 塑性變形對(duì)變形試樣碳化物形態(tài)的影響

對(duì)試樣在相變點(diǎn)周圍進(jìn)行塑性變形后淬火，測(cè)試其心部硬度，試樣硬度如表3所列。

表3 變形試樣的硬度

由表3可以看出，變形后的未保溫試樣相比于未變形淬火試樣，硬度稍有下降，考慮是通過塑性變形提供了相變的驅(qū)動(dòng)力，只是由于未經(jīng)過保溫，導(dǎo)致相變發(fā)生時(shí)間極短，生成的球狀碳化物很少，硬度偏高。試樣在兩相區(qū)發(fā)生塑性變形保溫之后，隨著變形量的增大，試樣的硬度降低，說明兩相區(qū)塑性變形量的增大促進(jìn)了碳化物的析出，但是由于試樣硬度仍然偏高，考慮是由于保溫時(shí)間較短，奧氏體轉(zhuǎn)變不完全，球狀碳化物較少，淬火后產(chǎn)生的馬氏體含量較高引起。

圖2為塑性變形試樣在掃描電鏡下的心部顯微組織。圖2中（a）、（d）是兩相區(qū)塑性變形40%保溫30 min的試樣，（b）、（e）和（c）、（f）分別是三相區(qū)兩道次變形20%未保溫和保溫30 min的試樣。由（a）、（d）可見，變形40%保溫30 min的試樣存在大量碳化物顆粒，部分碳化物顆粒呈短棒狀，同時(shí)出現(xiàn)二次碳化物。在（b）、（e）中，碳化物顆粒數(shù)量較少，且出現(xiàn)大量片狀碳化物，而在30 min保溫后，在（c）、（f）中可見碳化物顆粒數(shù)量增加，部分片狀碳化物熔斷球化。

圖2 變形試樣的SEM顯微組織

在快速球化中，要得到良好的球化組織，必須保持合適的過冷度[6-7]，而臨界過冷度由未溶碳化物的狀態(tài)決定[8-9]。由圖2可以看出，試樣都析出了一定量的球狀碳化物，相比于未保溫試樣，保溫30min的試樣析出的球狀碳化物較多，但是保溫30 min還是存在較多的片狀碳化物，說明球化時(shí)間太短，球化碳化物的析出不完全，所以導(dǎo)致試樣硬度偏高。在離異共析轉(zhuǎn)變過程中，過冷度決定了碳化物的長(zhǎng)大方式，低溫變形促進(jìn)珠光體形核，考慮過冷度的因素結(jié)合塑性變形，導(dǎo)致了部分珠光體以片層狀析出。而三相區(qū)塑性變形對(duì)片狀碳化物的形成可能有促進(jìn)作用，產(chǎn)生了微區(qū)細(xì)珠光體組織，使得三相區(qū)塑性變形后的試樣硬度偏高。

3 結(jié)束語

（1）通過Gleeble3500測(cè)定了GCr15離異共析轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)。將GCr15鋼以0.5℃/s的冷卻速度降溫時(shí)，保溫5min的試樣離異共析轉(zhuǎn)變范圍是689.42℃～670.82℃，不保溫的試樣離異共析轉(zhuǎn)變范圍是695.23℃～666.26℃.隨著奧氏體保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，離異共析轉(zhuǎn)變溫度范圍會(huì)發(fā)生變化。

（2）通過形變實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)形變后的試樣硬度稍有降低，三相區(qū)塑性變形對(duì)片狀碳化物的形成可能有促進(jìn)作用，生成了微區(qū)細(xì)珠光體組織，導(dǎo)致三相區(qū)塑性變形后的試樣硬度偏高。兩相區(qū)變形40%的試樣在685℃保溫30 min后淬火的維氏硬度為228.5 HV.

（3）試樣變形后，保溫時(shí)間過短，奧氏體轉(zhuǎn)變不完全，生成的球狀碳化物較少，剩余奧氏體含量較高導(dǎo)致淬火后產(chǎn)生的馬氏體含量較高，所以引起試樣硬度偏高。

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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廣西有色金屬及特色材料加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—高碳合金鋼離異共析轉(zhuǎn)變機(jī)制

陳俊霖（1992-），男，廣西桂林人，碩士研究生，研究方向：軸承鋼的離異共析轉(zhuǎn)變研究；李進(jìn)飛（1992-），男，湖北天門人，碩士研究生，研究方向：鋁合金的熱加工；徐熒（1993-），女，河北唐山人，碩士研究生，研究方向：軸承鋼的離異共析轉(zhuǎn)變研究；尹志新（1960-），男，遼寧岫巖人，博士，教授，研究方向：金屬材料的組織與性能；高速及超高速碰撞過程中的損傷機(jī)理及計(jì)算機(jī)模擬與防護(hù)；金屬材料疲勞損傷與機(jī)理；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化。