40Cr鋼等溫淬火形成的下貝氏體組織形貌特征

陳潔明,李雪峰,2,王 剛,潘恒沛,張先鋒

(1.中國船舶重工集團公司 第七二五研究所,洛陽 471023；2.河南省船舶及海工裝備結(jié)構(gòu)材料技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室,洛陽 471023；3.洛陽雙瑞萬基鈦業(yè)有限公司,洛陽 471000)

40Cr鋼是一種中碳低合金高強鋼，具有良好的淬透性，優(yōu)良的機械加工性能，較好的氮化、高頻等表面熱處理性能和可焊性，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、低溫沖擊韌性和較低的缺口敏感性，廣泛應(yīng)用于中等或較高負荷、中等轉(zhuǎn)速的機械零件制造中，是軸類、連桿、齒輪、緊固件等零件的常用原材料，也可用作冷鐓模具鋼。40Cr鋼是使用最多的鋼種之一，價格較低、性價比較高，是機械制造行業(yè)不可或缺的金屬材料。

40Cr鋼常用的熱處理工藝是淬火+高溫回火調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理中的裂紋和變形缺陷會引起工件報廢。近些年來，不同鋼種貝氏體的轉(zhuǎn)變、性能研究受到了廣泛關(guān)注[1-3]，尤其是中碳低合金鋼的貝氏體化研究。研究表明，馬氏體與少量下貝氏體的復(fù)相組織可以在不明顯降低材料強度的條件下，改善材料的韌性[4-5]。等溫淬火處理可獲得以下貝氏體為主的顯微組織，雖然材料的強度略有下降，但是韌性卻有較大的提高，同時等溫淬火處理還可以有效降低工件的變形量，是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁零件的理想熱處理工藝，例如一些40Cr鋼零件便是采用等溫淬火工藝來獲得以下貝氏體為主的顯微組織[6-7];但下貝氏體的形貌特征與上貝氏體、回火索氏體非常相近，難以辨認(rèn)，給金相檢驗工作帶來了一定的困難。筆者對經(jīng)不同熱處理工藝后的40Cr鋼顯微組織進行了分析，闡述了下貝氏體的形貌特征，以明確下貝氏體與其他組織的不同之處，從而為增強下貝氏體顯微組織形貌的辨認(rèn)提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)備及材料

1.1 試驗設(shè)備

采用Agilent 5110SVDV型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和CS800碳硫分析儀進行化學(xué)成分分析，采用OLYMPUS GX71型光學(xué)顯微鏡、Thermo Scientific Scios 2型掃描電鏡(SEM)和JM200型透射電子顯微鏡(TEM)進行微觀分析，采用VH3300型顯微硬度計進行硬度測試。

1.2 試驗材料

40Cr鋼的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，可見40Cr鋼的化學(xué)成分滿足GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

40Cr鋼的下貝氏體轉(zhuǎn)變溫度為330～360 ℃[3]。取40Cr鋼棒料2根，分別編號為1#和2#，直徑均為20 mm，長度均為100 mm。1#試樣的熱處理工藝為等溫淬火處理，加熱溫度為(850±10) ℃，保溫時間為60 min，防脫碳保護，(340±10) ℃鹽浴等溫30 min后空冷，(200±10)℃回火60 min。2#試樣的熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理，加熱溫度為(850±10) ℃，保溫時間為60 min，防脫碳保護，出爐油冷，(520±10) ℃回火60 min。

表1 40Cr鋼的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2 試驗結(jié)果

2.1 金相檢驗

在1#，2#試樣上截取長度為20 mm的試樣，將試樣的截面磨削、拋光后，用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸乙醇溶液侵蝕，然后進行金相檢驗，1#，2#試樣的顯微組織形貌如圖1所示。由圖1可知：1#試樣的顯微組織主要為下貝氏體+馬氏體+上貝氏體+殘余奧氏體，組織有明顯的色彩，針狀特征明顯，多條針狀組織密集排列成束，方向感強烈，圖1a)中藍色塊狀區(qū)域為少量的上貝氏體，白色區(qū)域為少量的殘余奧氏體，黃褐色短針狀組織為馬氏體，其余大部分黑藍色針狀組織為下貝氏體；2#試樣的顯微組織為回火索氏體+少量殘余奧氏體，試樣整體呈灰色，雖然大部分區(qū)域也呈板條狀，但針狀特征和方向感不明顯。

圖1 1#，2#試樣的顯微組織形貌

2.2 SEM分析

將1#，2#試樣侵蝕后進行SEM分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：1#試樣主要為針狀貝氏體+鐵素體+部分板條馬氏體，鐵素體上有條狀碳化物分布，碳化物排列方向與鐵素體長軸夾角約為60°，且大多在原奧氏體晶界形核長大，而馬氏體中大多是板條狀碳化物，方向感明顯；2#試樣組織中的碳化物經(jīng)過回火處理，擴散較充分，組織中有較多彌散分布的顆粒狀碳化物，碳化物取向特征不如1#試樣明顯。

圖2 1#，2#試樣的SEM形貌

2.3 TEM分析

在1#，2#試樣上分別取1 mm厚的薄片進行TEM分析，結(jié)果如圖3,4所示。由圖3,4可知：1#試樣大部分區(qū)域為下貝氏體，形貌特征為成排的板條鐵素體上分布著長條狀碳化物，碳化物排列方向與鐵素體長軸的夾角約呈60°，還有少量馬氏體+殘余奧氏體；2#試樣為板條鐵素體上彌散分布著顆粒狀碳化物。1#，2#試樣的TEM形貌有較大的差異。

圖3 1#試樣的TEM分析結(jié)果

圖4 2#試樣的TEM分析結(jié)果

2.4 電子背散射衍射(EBSD)分析

對1#，2#試樣進行EBSD分析，結(jié)果分別如圖5,6所示，其中1#試樣中殘余奧氏體和上貝氏體很少，未能有效檢出，可以忽略不計。圖5a),5b)分別為1#試樣的晶粒取向分布和衍射花樣質(zhì)量，可見馬氏體的碳過飽和度較高及晶格畸變較大，EBSD衍射花樣質(zhì)量較差，在衍射花樣質(zhì)量圖中趨近于灰黑色，而下貝氏體呈偏灰白色。將1#試樣馬氏體和下貝氏體的灰度進行統(tǒng)計，以確定1#試樣的灰度臨界值[8]，經(jīng)軟件進行處理后得到1#試樣的衍射花樣質(zhì)量統(tǒng)計圖[(見圖5c)]，可得1#試樣中下貝氏體含量約為88.1%，馬氏體含量約為11.9%。對比圖5和圖6可知，1#試樣的組織有明顯的針狀特征，兩端較為尖銳，方向感強烈，而2#試樣組織的針狀特征不如1#試樣明顯，兩端圓鈍，方向感較差。

圖5 1#試樣的EBSD分析結(jié)果

圖6 2#試樣的EBSD分析結(jié)果

2.5 顯微硬度測試

依據(jù)GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，分別對1#，2#試樣進行顯微硬度測試，結(jié)果如表2所示，可以看出1#試樣的硬度明顯高于2#試樣。

表2 1#，2#試樣的顯微硬度測試結(jié)果 HV

3 綜合分析

40Cr鋼常用的熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理，顯微組織是較為熟悉的回火索氏體。40Cr鋼的等溫淬火工藝應(yīng)用相對較少，因此，經(jīng)該工藝處理后產(chǎn)生的下貝氏體形貌特征較為陌生。由金相檢驗結(jié)果可知，下貝氏體和回火索氏體的顯微組織形貌非常相似，但是下貝氏體侵蝕后有明顯的色彩效果和較明顯的針狀特征，且針狀組織密集排列成束，方向感強烈[9-11]。由TEM分析結(jié)果可知，下貝氏體與回火索氏體的基體都呈板條狀，但是碳化物的分布是有明顯區(qū)別的，下貝氏體碳化物分布與鐵素體板條長軸的夾角呈60°，而回火索氏體的碳化物是彌散分布的。由硬度測試結(jié)果可知，下貝氏體的硬度明顯高于回火索氏體。

下貝氏體和板條馬氏體的晶體學(xué)特征具有相似性[12]，中低合金鋼的板條馬氏體間、板條馬氏體與奧氏體間的位向關(guān)系同下貝氏體的位向完全相同，且二者組織形貌相似，組織辨別困難。雖然下貝氏體與馬氏體有著晶體學(xué)的相似性，但二者有不同的相變過程，下貝氏體的轉(zhuǎn)變溫度比馬氏體高，馬氏體從高溫冷卻到低溫時是切變形成，無擴散性，屬于含碳的過飽和固溶體；而下貝氏體形成過程伴隨著碳元素的擴散，會發(fā)生碳化物沉淀，屬于鐵素體和碳化物組成的混合物。下貝氏體的顯微組織呈針狀，馬氏體的顯微組織呈板條狀，二者碳化物分布不一樣，下貝氏體的碳化物分布與鐵素體板條長軸夾角呈60°，而馬氏體是碳的過飽和固溶體，沒有碳化物析出。

4 結(jié)語

40Cr鋼經(jīng)等溫淬火后產(chǎn)生的下貝氏體組織有較明顯的色彩效果和針狀特征，細針狀組織密集排列，方向感強烈。下貝氏體的TEM形貌特征為條狀鐵素體上沉淀有細密的長條狀碳化物，排列整齊，與鐵素體長軸的夾角呈60°。下貝氏體的硬度明顯高于回火索氏體。40Cr鋼的等溫淬火組織中下貝氏體含量較多，約為88.1%，馬氏體含量約為11.9%。