磁場(chǎng)對(duì)25CrMo48V超高強(qiáng)度鋼回火組織與力學(xué)性能的影響

楊曉斌， 董 紀(jì)， 田春英， 寧保群， 趙 倩， 喬志霞， 劉永長(zhǎng)

(1. 天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300350;2. 天津理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300384；3. 天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300134；4. 天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 水利安全與仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300354)

近幾十年來(lái)，強(qiáng)磁場(chǎng)器件的普及使金屬材料相變成為研究熱點(diǎn)[1-2]，磁場(chǎng)作為調(diào)節(jié)材料組織和性能的一種有效手段，能夠以無(wú)接觸方式將高強(qiáng)度能量傳遞到物質(zhì)原子尺度，影響物質(zhì)原子匹配、排列和遷移等[3]。當(dāng)磁場(chǎng)作用于材料的相變過(guò)程時(shí)，可以有效改變新舊兩相之間的相變動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)條件，并對(duì)相變產(chǎn)物形核、長(zhǎng)大、形態(tài)及分布產(chǎn)生影響[4-5]。在回火處理過(guò)程中加入磁場(chǎng)，研究磁場(chǎng)熱處理對(duì)超高強(qiáng)度鋼組織調(diào)控及碳化物種類(lèi)、形態(tài)、尺寸和演變規(guī)律的影響，并加深磁場(chǎng)熱處理對(duì)鋼的強(qiáng)韌化機(jī)制認(rèn)識(shí)，是探究和改善超高強(qiáng)度鋼強(qiáng)韌性的一種重要手段和方法。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磁場(chǎng)條件下鋼鐵材料相變、微觀結(jié)構(gòu)和晶界特征進(jìn)行了大量研究與探索，并在磁場(chǎng)相變研究領(lǐng)域取得一定進(jìn)展[6]。近年來(lái)，研究人員圍繞磁場(chǎng)熱處理對(duì)碳化物種類(lèi)、形態(tài)、演變規(guī)律與析出機(jī)制進(jìn)行研究，主要從以下兩個(gè)方面展開(kāi)：一方面是在回火熱處理過(guò)程中施加磁場(chǎng)會(huì)改變碳化物應(yīng)變能和界面能，進(jìn)而影響其形核和長(zhǎng)大；另一方面是不同類(lèi)型碳化物具有不同磁化強(qiáng)度，磁場(chǎng)的施加可以通過(guò)改變碳化物磁矩來(lái)影響合金碳化物磁吉布斯自由能，導(dǎo)致其碳化物自由能變化量存在差異，影響碳化物析出順序[7]，這為改善超高強(qiáng)度鋼強(qiáng)韌性提供了一種新思路。

Zhou等[8]研究表明，在Fe-C-Mo合金中12 T磁場(chǎng)能夠促進(jìn)M6C型碳化物析出，并定性研究了M6C、M2C、M3C與基體之間的相對(duì)磁自由能變化，闡明由于高溫下碳化物從鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，?dǎo)致磁場(chǎng)對(duì)高溫下碳化物析出幾乎無(wú)影響。Xia等[9]研究了有無(wú)磁場(chǎng)作用下熱處理過(guò)程對(duì)碳化物長(zhǎng)大規(guī)律和材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)的施加可以增加碳化物與基體之間界面能，阻礙棒狀M23C6碳化物沿晶界生長(zhǎng)并促進(jìn)其球化。Hou等[10]研究了2.25Cr-Mo合金在低溫回火過(guò)程中碳化物析出規(guī)律，通過(guò)計(jì)算M2C、M3C、M7C3和M23C6四種碳化物磁自由能改變量，確定磁場(chǎng)的添加能夠促進(jìn)穩(wěn)定碳化物M23C6的析出。目前，關(guān)于磁場(chǎng)對(duì)含有復(fù)合微合金元素的超高強(qiáng)度鋼中碳化物析出的影響機(jī)制仍缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，有待進(jìn)一步深入研究。

在前期研究工作基礎(chǔ)上[11]，本文通過(guò)研究25CrMo48V微合金化超高強(qiáng)度鋼回火過(guò)程中磁場(chǎng)與微觀組織和力學(xué)性能之間的關(guān)系，進(jìn)一步闡明磁場(chǎng)熱處理在控制碳化物種類(lèi)、形貌、尺寸及分布方面所起到的獨(dú)特作用，在磁場(chǎng)熱處理影響材料力學(xué)性能方面提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料與加工

試驗(yàn)采用25CrMo48V鋼作為研究對(duì)象，采用電弧爐冶煉、連鑄連軋等技術(shù)制備出無(wú)縫鋼管，其主要化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)鋼在1000 ℃下進(jìn)行30 min奧氏體化處理，水淬至室溫，利用線切割機(jī)將25CrMo48V鋼加工成10 mm×10 mm×80 mm塊狀試樣，將試樣放入1 T磁場(chǎng)熱處理爐中(SK10-?20 250-BYL)在200～600 ℃[11]溫度范圍內(nèi)分別進(jìn)行1 h回火處理。

表1 試驗(yàn)用25CrMo48V鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 顯微組織觀察

將試樣進(jìn)行磁場(chǎng)熱處理后，為觀察回火過(guò)程中組織演變，將獲得的試樣采用線切割機(jī)沿徑向切開(kāi)，對(duì)切面進(jìn)行研磨、拋光，制備金相試樣，試樣經(jīng)4%硝酸酒精侵蝕后利用掃描電鏡(SEM，Sigma 300，20 kV)觀察試樣組織形貌。利用透射電鏡(TEM，JEOL-100CX-II，200 kV)觀察試樣中馬氏體板條尺寸，析出物尺寸、形態(tài)和分布情況，并采用Image Pro Plus分析軟件對(duì)馬氏體板條寬度進(jìn)行測(cè)定。將用于微觀結(jié)構(gòu)觀察的TEM試樣利用線切割機(jī)切片至500 μm，用砂紙減薄至50 μm，沖孔機(jī)沖裁出φ3 mm透射電鏡試樣，在7%高氯酸和93%乙醇溶液中通過(guò)雙噴射拋光機(jī)進(jìn)行拋光處理。此外，通過(guò)碳膜復(fù)型法分析研究析出物尺寸、形態(tài)、分布和化學(xué)成分，確定析出物的類(lèi)型，電子背散射衍射(EBSD)試驗(yàn)首先利用線切割機(jī)將試樣加工成5 mm×5 mm×1 mm小方塊，分別用由粗到細(xì)的砂紙研磨后進(jìn)行機(jī)械拋光，在10%高氯酸和90%酒精溶液中進(jìn)行電解拋光，電壓為20 V左右，拋光時(shí)間為8～12 s。利用電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)對(duì)其晶體取向進(jìn)行表征，運(yùn)行電壓10 kV，工作距離30 mm，試驗(yàn)過(guò)程中試樣表面與電子束呈70°入射角，掃描步長(zhǎng)為0.2 μm，工作面積為56.6 μm×42.4 μm，采用HKL Channel 5軟件對(duì)EBSD數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

采用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)Instron 5565視頻引伸計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，圖1為通過(guò)線切割機(jī)從回火試樣中制備的拉伸試樣，采用掃描電鏡觀察其斷口形貌。利用MH-6型維氏硬度計(jì)測(cè)定試樣硬度，載荷砝碼為100 g，在試樣表面均勻選取12個(gè)點(diǎn)測(cè)量其維氏硬度，取其平均值作為該試樣的顯微硬度值。

圖1 拉伸試樣示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微觀組織

回火過(guò)程中試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)演變通常包括合金碳化物析出、殘留奧氏體分解以及馬氏體回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程。圖2為1 T磁場(chǎng)作用下不同溫度回火后試樣的顯微組織，可觀察到當(dāng)試驗(yàn)鋼在200～600 ℃回火1 h 后，隨著回火溫度升高，試樣微觀組織結(jié)構(gòu)中馬氏體板條寬度逐漸增加，板條形貌逐漸消失。

Colonoscopy revealed a subcentimeter colon polyp located 20 cm from the anal verge.

圖2 1 T磁場(chǎng)作用下不同溫度回火后試樣的光學(xué)顯微組織

鋼鐵材料中晶界結(jié)構(gòu)對(duì)材料的力學(xué)性能具有重要影響，晶界一般根據(jù)晶粒取向不同可以分為大角度晶界(>15°)和小角度晶界(<15°)[4]。在回火馬氏體中，馬氏體板條塊晶界、馬氏體條束晶界以及原奧氏體晶界均屬于大角度晶界，板條界則屬于小角度晶界，與大角度晶界相比，馬氏體組織中小角度晶界能量更低，更有利于穩(wěn)定馬氏體組織，通過(guò)小角度晶界含量可以反映回火馬氏體鋼中板條馬氏體含量及其回復(fù)程度[12]。

本文采用EBSD研究磁場(chǎng)作用下不同回火溫度對(duì)馬氏體組織回復(fù)的影響，其晶粒取向分布圖可以清楚地揭示所研究超高強(qiáng)度鋼中馬氏體典型形貌特征。圖3(a1～e1)為試樣在1 T磁場(chǎng)作用下不同溫度回火試樣的晶粒取向分布圖，可以看出，隨著回火溫度升高，試樣組織內(nèi)部馬氏體板條形貌逐漸消失，馬氏體回復(fù)顯著，這與圖2觀察到的光學(xué)顯微組織結(jié)果相吻合。圖3(a2～e2)顯示了試樣回火后的晶界圖像，結(jié)合圖4(a) 可以發(fā)現(xiàn)，隨著回火溫度升高，黑色大角度晶界逐漸增加，灰色小角度晶界逐漸減少，更進(jìn)一步說(shuō)明其馬氏體回復(fù)加劇。

圖3(a3～e3)分別為1 T磁場(chǎng)作用下不同溫度回火試樣中板條馬氏體的TEM照片，可以觀察到回火馬氏體基體形態(tài)主要為板條馬氏體，馬氏體板條寬度分別約為73.68、120.57、188.86、249.14和264.52 nm，其寬度隨回火溫度的升高逐漸增加，主要原因是隨著回火溫度的升高，板條馬氏體回復(fù)顯著，形成亞晶組織，亞晶界開(kāi)始合并引起板條界消失，導(dǎo)致馬氏體板條寬度逐漸增加[13]。

圖3 1 T磁場(chǎng)作用下不同溫度回火后試樣的晶粒取向分布(a1～e1)、晶界(a2～e2)及板條馬氏體的TEM照片(a3～e3)

如圖4(b)所示，相比與常規(guī)回火條件[11]，施加磁場(chǎng)后試樣的馬氏體板條明顯變窄，這表明磁場(chǎng)回火熱處理能夠抑制馬氏體板條合并，這是由于磁場(chǎng)的施加會(huì)促使基體組織中碳化物與可移動(dòng)位錯(cuò)之間交互作用加劇，導(dǎo)致試樣中位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生額外的應(yīng)變能，從而抑制小角度晶界向大角度晶界轉(zhuǎn)變，提高了馬氏體板條穩(wěn)定性[14]。

圖4 1 T磁場(chǎng)作用下不同溫度回火試樣的晶界統(tǒng)計(jì)(a)和馬氏體板條寬度的變化(b)

2.2 碳化物的析出

圖5分別顯示了200 ℃回火試樣中析出物的TEM照片及衍射斑標(biāo)定。在施加1 T磁場(chǎng)后，可以觀察到有針狀、棒狀和不規(guī)則塊狀析出物析出。通過(guò)衍射斑標(biāo)定分析識(shí)別馬氏體板條內(nèi)部合金碳化物，可以確定圖5(a)中針狀析出物為M3C型析出物(PDF:35-0787)，結(jié)構(gòu)為正交立方結(jié)構(gòu)。圖5(b)為在晶界和亞晶界處析出的較大尺寸棒狀析出物和在基體內(nèi)部析出的不規(guī)則塊狀析出物。對(duì)兩種析出物進(jìn)行衍射斑標(biāo)定可以確定這兩種析出物均為復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)，此類(lèi)析出物為M23C6型碳化物(PDF：78-1499)。

圖5 試樣在1 T磁場(chǎng)作用下200 ℃回火后析出相的TEM照片及衍射斑標(biāo)定

25CrMo48V鋼在1 T磁場(chǎng)作用下500 ℃回火后析出物的TEM照片如圖6所示。對(duì)圖6(a，b)中析出物進(jìn)行衍射斑標(biāo)定結(jié)合能譜圖分析識(shí)別，可以確定這兩種析出物均具有密排六方結(jié)構(gòu)(α=β=90°，γ=120°)，其中圖6(a)中短棒狀析出物主要富含F(xiàn)e、C及少量的Mo和Cr等，可以確定為M2C型碳化物(PDF：35-0787)。圖6(b)中長(zhǎng)線狀析出物主要含F(xiàn)e、C、Cr和Nb等，確定該長(zhǎng)線狀析出物為M7C3型碳化物(PDF：05-0720)。隨著回火溫度的升高，比較圖5(b)和圖6(c),可以看出M23C6型碳化物逐漸粗化。如圖7(a)所示，隨著回火溫度從500 ℃升高到600 ℃時(shí)，更多的M7C3碳化物逐漸演變?yōu)镸23C6碳化物。

圖6 試樣在1 T磁場(chǎng)作用下500 ℃回火后析出相的TEM照片、衍射斑標(biāo)定及EDS分析

圖7 1 T磁場(chǎng)作用下600 ℃回火試樣中碳化物的TEM照片(a)及衍射斑標(biāo)定(b)

圖8(a，c)分別顯示了25CrMo48V鋼在1 T磁場(chǎng)作用下200 ℃回火后兩種MC型析出物的TEM照片及衍射斑標(biāo)定，可以觀察到兩種MC型碳化物形貌分別為方形和小球形，其結(jié)構(gòu)均為面心立方結(jié)構(gòu)(α=β=γ=90°)，方形析出物平均尺寸約為64.23 nm，處于彌散分布狀態(tài)的小球形粒子平均尺寸約為4.17 nm。同時(shí)結(jié)合能譜圖進(jìn)一步分析可以確定圖8(a)中方形碳化物中富含F(xiàn)e、V、C、Ti以及少量Cr和Nb，為富Ti-MC型碳化物(PDF:65-7931)，圖8(c)中小球形析出物中主要富含Nb及少量的V和Ti，為富Nb-MC型碳化物(PDF:47-1418)。如圖8(e，f)所示，在600 ℃回火試樣中兩種MC型碳化物尺寸分別約為65.17 nm和5.23 nm，與200 ℃回火試樣相比，尺寸沒(méi)有顯著變化，這表明富Ti-MC與富Nb-MC型碳化物具有高的熱穩(wěn)定性，并且一旦形成就是平衡相[15]。

圖8 1 T磁場(chǎng)作用下不同溫度回火試樣中兩種MC型碳化物TEM照片、衍射斑標(biāo)定及EDS分析

綜上所述，磁場(chǎng)作用下試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)和碳化物析出順序與回火溫度有關(guān)，不同回火溫度下試樣的碳化物析出類(lèi)型逐漸變化，當(dāng)回火溫度為200 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的碳化物分別為M3C、M23C6和兩種MC型碳化物；當(dāng)回火溫度為500 ℃時(shí)，部分M3C逐漸被M2C取代，并有相當(dāng)一部分M7C3型碳化物析出；當(dāng)回火溫度為600 ℃時(shí)，試樣中析出的M2C、M7C3和M23C6型碳化物逐漸粗化。

2.3 力學(xué)性能分析

通過(guò)分析試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可深入了解材料在外力作用下的變形過(guò)程，以及微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)材料屈服及拉伸斷裂過(guò)程的影響[16]。圖9(a)為試樣在1 T磁場(chǎng)作用下不同溫度回火后的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出其應(yīng)力-應(yīng)變曲線均不存在明顯的屈服平臺(tái)，無(wú)明顯屈服點(diǎn)，表現(xiàn)為連續(xù)屈服特征。同時(shí)試樣在不同回火溫度下的彈性變形階段基本相同，發(fā)生塑性變形后出現(xiàn)的變形強(qiáng)化階段持續(xù)時(shí)間較短，緊接著承載應(yīng)力開(kāi)始逐步降低發(fā)生斷裂。

試樣在200～600 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行磁場(chǎng)回火處理后的屈服強(qiáng)度(以Rp0.2計(jì))、抗拉強(qiáng)度(Rm)和斷后伸長(zhǎng)率(A)隨回火溫度的變化規(guī)律如圖9(b)所示，可以看出當(dāng)回火溫度逐漸升高時(shí)，屈服強(qiáng)度起伏變化不明顯，而試樣抗拉強(qiáng)度存在2個(gè)不同變化趨勢(shì)的區(qū)域，其中回火溫度在200～400 ℃時(shí)，在試驗(yàn)誤差范圍內(nèi)抗拉強(qiáng)度變化程度不大，其強(qiáng)度為1156 MPa左右，一方面由于隨著回火溫度的升高，板條馬氏體寬度逐漸增加，試樣強(qiáng)度有降低趨勢(shì)，但與此同時(shí)隨著不同類(lèi)型碳化物析出，其析出強(qiáng)化作用促使試樣強(qiáng)度增加，抵消了馬氏體板條增粗帶來(lái)強(qiáng)度降低的影響，導(dǎo)致強(qiáng)度基本保持不變。在回火溫度為500～600 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度逐漸升高到1200 MPa，試樣中有M2C和M7C3型碳化物析出，碳化物析出強(qiáng)化作用明顯，強(qiáng)度逐漸升高。并觀察到斷后伸長(zhǎng)率(A)在200～500 ℃區(qū)間內(nèi)隨回火溫度升高而緩慢下降，這是由于隨著回火溫度升高，試樣中殘留奧氏體逐漸消失[11]，導(dǎo)致斷后伸長(zhǎng)率逐漸下降，而在較高回火溫度區(qū)間(500～600 ℃)內(nèi)，試樣的斷后伸長(zhǎng)率從21%逐漸升高到26%。這可能是由于試樣中塊狀殘留奧氏體逐漸演變?yōu)楸∧頪17]，對(duì)試樣的塑性具有增強(qiáng)作用，提高了試樣斷后伸長(zhǎng)率。

經(jīng)磁場(chǎng)回火處理后試樣維氏硬度值與基體中馬氏體板條合并、殘留奧氏體分解以及碳化物析出強(qiáng)化作用相關(guān)。試樣硬度隨回火溫度升高的變化趨勢(shì)如圖9(c)所示，當(dāng)回火溫度在200～400 ℃時(shí)，材料的硬度逐漸從360 HV0.1降低到345 HV0.1。這是由于隨著回火溫度升高，馬氏體板條逐漸粗化，位錯(cuò)密度逐漸降低，導(dǎo)致材料硬度逐漸降低。當(dāng)回火溫度在400～600 ℃時(shí)，材料的硬度逐漸從345 HV0.1升高到390 HV0.1。這是由于試樣中在回火過(guò)程中可以析出具有二次硬化作用的M2C型碳化物，增強(qiáng)了試驗(yàn)鋼對(duì)回火軟化的抗力，甚至提高材料的硬度，因此試樣硬度逐漸增加。

圖9 1 T磁場(chǎng)作用下不同溫度回火試樣的力學(xué)性能

1 T磁場(chǎng)作用下不同回火溫度拉伸試樣斷口形貌如圖10所示，從SEM圖片可以看出，試樣的拉伸斷口在微觀上均表現(xiàn)為韌性斷裂，形貌分別由較粗大韌窩和周?chē)鶆蚍植嫉牡容S韌窩組成，韌窩作為典型的韌性斷裂特征，其形狀和尺寸可以反映試驗(yàn)鋼斷裂時(shí)吸收能量的多少，進(jìn)而反映試驗(yàn)鋼塑性強(qiáng)弱，大而深的韌窩組織能夠反映試驗(yàn)鋼擁有較強(qiáng)的塑性變形能力，以及抵抗裂紋形成和擴(kuò)展的能力[18]。在不同回火溫度試樣中，600 ℃時(shí)試樣的韌窩尺寸最大，深度最深，其中較大的韌窩可能是不同類(lèi)型碳化物析出造成的，較小的韌窩則與材料本身的特性有關(guān)，這與試樣的力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果基本一致。

圖10 1 T磁場(chǎng)作用下不同溫度回火后試樣的拉伸斷口形貌

3 分析與討論

3.1 1 T磁場(chǎng)對(duì)碳化物析出順序的影響

當(dāng)材料進(jìn)行回火處理時(shí)，在較低回火溫度下亞穩(wěn)態(tài)碳化物率先析出，隨著回火溫度升高，亞穩(wěn)態(tài)合金碳化物逐漸溶解，被更穩(wěn)定的碳化物取代，闡明回火過(guò)程中不同類(lèi)型碳化物的析出行為一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究熱點(diǎn)。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，25CrMo48V超高強(qiáng)度鋼在有無(wú)磁場(chǎng)作用下[11]兩種MC型碳化物均能穩(wěn)定存在且尺寸變化不大，這意味著1 T磁場(chǎng)對(duì)兩種MC型碳化物尺寸、形貌及化學(xué)成分沒(méi)有產(chǎn)生明顯影響，其他碳化物析出順序如表2所示，可以看出與常規(guī)回火試樣相比，磁場(chǎng)作用下M23C6型碳化物在不同回火溫度范圍內(nèi)均有析出，除此之外M7C3型碳化物在500 ℃回火時(shí)提前析出，M3C型碳化物基本消失，由此可知，1 T磁場(chǎng)對(duì)M23C6和M7C3型碳化物析出具有促進(jìn)作用。

表2 有、無(wú)磁場(chǎng)條件下回火過(guò)程中試驗(yàn)鋼碳化物的析出順序

以往研究結(jié)果表明[6]，相對(duì)于M2C和M3C型碳化物，施加磁場(chǎng)能有效促進(jìn)M23C6和M7C3型碳化物的析出，原因是由于碳化物析出順序的改變與其吉布斯自由能有關(guān)，外加磁場(chǎng)通過(guò)降低合金碳化物的磁自由能來(lái)改變碳化物析出順序[10]。碳化物總的吉布斯自由能公式如式(1)所示：

(1)

(2)

M=NmBj(α)

(3)

(4)

(5)

式中：N為單位體積原子數(shù)；m為合金碳化物磁矩；Bj(α) 為布里淵方程，本文中j=1[21]為與原子總角動(dòng)量有關(guān)的量子數(shù)；nB為有效的波爾磁子數(shù)；μB為波爾磁子；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

在磁場(chǎng)作用下不同回火條件下試樣析出的合金碳化物會(huì)被逐漸磁化，從而產(chǎn)生一定磁化強(qiáng)度，碳化物的磁化強(qiáng)度可以定義為單位體積內(nèi)原子磁矩的總和，合金碳化物的磁矩主要來(lái)源于Fe原子內(nèi)層電子的非飽和自旋，主要由其晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分決定[22]，由公式(2)～(5)可知，外加磁場(chǎng)主要通過(guò)改變碳化物磁矩來(lái)影響合金碳化物磁吉布斯自由能。Zhang等[23]研究表明42CrMo鋼在磁場(chǎng)回火熱處理過(guò)程中，碳含量較低合金碳化物對(duì)應(yīng)較高磁化強(qiáng)度，碳化物磁矩與其Fe原子含量成正比。表3為1 T磁場(chǎng)作用下兩種不同類(lèi)型碳化物的溶質(zhì)原子濃度對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)M23C6和M7C3型碳化物中Fe的濃度有較大影響，磁場(chǎng)通過(guò)提高溶質(zhì)原子Fe的濃度可以顯著增強(qiáng)合金碳化物磁矩，導(dǎo)致這兩種碳化物具有較高磁化強(qiáng)度，合金碳化物磁吉布斯自由能隨其磁化強(qiáng)度增加而減小，從而促進(jìn)了M23C6和M7C3型碳化物提前析出。

表3 試樣中M23C6和M7C3碳化物在有無(wú)磁場(chǎng)條件下置換型溶質(zhì)原子的濃度 (原子分?jǐn)?shù)，%)

3.2 1 T磁場(chǎng)對(duì)力學(xué)性能的影響

為研究1 T磁場(chǎng)對(duì)25CrMo48V超高強(qiáng)度鋼不同溫度回火后力學(xué)性能的影響，前期研究已經(jīng)對(duì)常規(guī)回火試樣進(jìn)行了硬度和拉伸試驗(yàn)分析[11]。表4為有無(wú)磁場(chǎng)作用下試樣的力學(xué)性能對(duì)比，可以看出當(dāng)試樣在1 T磁場(chǎng)作用下回火時(shí)，施加磁場(chǎng)后試樣的維氏硬度明顯增加，但其強(qiáng)度有降低趨勢(shì)。1 T磁場(chǎng)誘發(fā)的力學(xué)性能差異主要與3個(gè)方面有關(guān):①軟相殘留奧氏體的分解；②不同類(lèi)型碳化物提前析出；③馬氏體固溶強(qiáng)化效應(yīng)。

表4 有無(wú)磁場(chǎng)作用下回火后試樣的力學(xué)性能對(duì)比

與常規(guī)回火試樣相比，試樣強(qiáng)度降低應(yīng)主要?dú)w因于磁場(chǎng)作用下試樣在不同溫度回火時(shí)粗化的M23C6型合金碳化物提前析出，其沉淀強(qiáng)化效果與針狀M3C型碳化物相比明顯喪失，這對(duì)降低試樣的抗拉強(qiáng)度起主導(dǎo)作用。另外碳化物提前析出也會(huì)導(dǎo)致基體本身碳原子濃度降低，基體中固溶強(qiáng)化作用減弱，雖然磁場(chǎng)的施加會(huì)抑制板條馬氏體回復(fù)，馬氏體板條寬度與材料強(qiáng)度成反比，但其作用與碳化物析出強(qiáng)化作用和馬氏體固溶強(qiáng)化效應(yīng)相對(duì)來(lái)說(shuō)較弱，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度與常規(guī)回火試樣相比有所下降。

1 T磁場(chǎng)作用下試樣硬度與常規(guī)回火試樣相比，可以清楚地看出，磁場(chǎng)熱處理對(duì)鋼的硬度影響很大，試樣經(jīng)回火后，兩者硬度變化趨勢(shì)大體相同，但在相同回火溫度下，磁性試樣的硬度高于正常試樣。這是由于金屬材料作為鐵磁性材料，基體中存在著許多大小和方向各異的小型磁化區(qū)域，即磁疇，在磁場(chǎng)作用下，金屬材料逐漸被磁化，基體內(nèi)部產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，同時(shí)伴隨著磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)和磁疇壁的位移，磁疇壁阻礙了晶界或亞晶界遷移，延緩位錯(cuò)恢復(fù)過(guò)程，引起基體內(nèi)部位錯(cuò)結(jié)構(gòu)改變[24]，導(dǎo)致材料硬度增加。

4 結(jié)論

本文通過(guò)研究1 T磁場(chǎng)對(duì)25CrMo48V超高強(qiáng)度鋼不同回火溫度下組織、合金碳化物析出及力學(xué)性能的影響，主要成果總結(jié)如下:

1) 當(dāng)試樣在1 T磁場(chǎng)作用下進(jìn)行不同溫度回火處理時(shí)，隨著回火溫度的升高，試樣的板條馬氏體寬度逐漸增粗，大角度晶界比例逐漸升高，而與常規(guī)回火試樣相比，施加磁場(chǎng)后試樣的馬氏體板條寬度明顯變窄，磁場(chǎng)會(huì)抑制板條馬氏體的合并。

2) 在200 ℃回火過(guò)程中，1 T磁場(chǎng)促進(jìn)了M23C6型碳化物的析出，試樣在500 ℃回火后，除M23C6型碳化物外，還有M7C3型碳化物提前析出，這主要是由于磁場(chǎng)通過(guò)提高溶質(zhì)鐵原子濃度來(lái)大大增加上述碳化物的磁矩，從而降低了合金碳化物的磁吉布斯自由能，促進(jìn)其提前析出。

3) 25CrMo48V鋼的抗拉強(qiáng)度隨回火溫度的升高先基本保持不變隨后逐漸增加，試樣的斷后伸長(zhǎng)率隨回火溫度的升高逐漸降低，但在600 ℃回火時(shí)升高到26%，試樣的維氏硬度在200～400 ℃范圍內(nèi)逐漸降低，400～600 ℃回火后硬度值逐漸增加。