工程機械用超高強鋼的相變行為研究

鄭東升，范才河，胡澤藝，孫雅馨，羅 登，劉 丹，張青學(xué)

（1.湖南工業(yè)大學(xué)材料與先進制造學(xué)院,湖南 株洲 412007；2.湖南鋼鐵集團湘潭鋼鐵有限公司技術(shù)質(zhì)量部,湖南 湘潭 411101）

0 引言

隨著工程機械向大型化、輕量化和重載荷方向發(fā)展，市場上對工程機械用鋼的性能要求越來越高，越來越大的承重結(jié)構(gòu)、輸送系統(tǒng)及提升裝置需要屈服強度在900 MPa 以上的工程機械用超高強鋼[1?3]。從本世紀(jì)初開始，國內(nèi)外研究了熱機械工藝、熱處理工藝對工程機械用超高強鋼微觀組織及力學(xué)性能的影響，并開發(fā)出屈服強度值從900 MPa 到1 300 MPa 的工程機械用超高強鋼[4?6]。由于工程機械用超高強鋼具有優(yōu)異的強度和韌性，可以有效減輕工程機械設(shè)備重量，提高工程機械工作效率，因此廣泛應(yīng)用于起重機和其他建筑機械領(lǐng)域[7]。

工程機械用超高強鋼一般采用馬氏體組織，熱軋后直接淬火或離線淬火的冷速確定顯得尤為重要。在冷卻過程中，微觀組織出現(xiàn)鐵素體、珠光體及貝氏體等時，其強度會有所降低。關(guān)于相變行為，Ali等[8]研究了冷速對高碳高合金工程機械用超高強鋼微觀組織的影響，Mandal、Bandyopadhyay 等[9?10]研究了低碳高合金工程機械用超高強鋼在連續(xù)冷卻條件下的組織轉(zhuǎn)變，Esterl 等[11]研究了Mn-Si-B 系、Mn-Si-Nb-B 系和Cr-Mo-Ni-Cu 系低碳低合金工程機械用超高強鋼在不同冷速下的微觀組織。和Cr-Mo-Ni-Cu 系成分設(shè)計相比，Cr-Mo-Ni-B 系可以節(jié)約合金元素，并提高淬透性[12?14]，但復(fù)合添加Cr、Mo、Ni、B 的低碳低合金工程機械用超高強鋼的研究較少，并且Cr-Mo-Ni-B 系低碳低合金工程機械用超高強鋼在連續(xù)冷卻條件下的組織特征及演變規(guī)律鮮有報道。為此，筆者以熔-鑄-軋制備的Cr-Mo-Ni-B 系試驗鋼為研究對象，利用MMS-200 熱模擬試驗機測定了試驗鋼在一定奧氏體溫度條件下的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，系統(tǒng)研究了試驗鋼在連續(xù)冷卻過程中的相變行為，分析了冷卻速度對其相變溫度及微觀組織的影響，為工程機械用超高強鋼離線淬火冷速的制定提供了依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

試驗所用材料取自某廠，經(jīng)轉(zhuǎn)爐熔煉、澆鑄后，在四輥可逆式軋機軋制成10 mm 鋼板，其主要化學(xué)成分如表1 所示。軋板經(jīng)鋸床、車床和線切割后，加工成?6 mm×9 mm 的圓柱形試樣。

表1 試驗鋼的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of the experimental steel %

試驗在MMS-200 熱模擬試驗機上進行。該試驗機由加熱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制與測量系統(tǒng)三個主要部分組成。試樣加熱由晶閘管控制的特殊變壓器進行，冷卻則由高壓循環(huán)水控制，通過點焊在試樣表面的熱電偶反饋給計算機的溫度信號來實現(xiàn)溫度控制。試驗時，采用高純氮氣作為保護氣。在試樣連續(xù)冷卻過程中，通過自動記錄儀將不同冷卻速度下的膨脹量-溫度曲線記錄下來，根據(jù)切線法確定出相變產(chǎn)物的轉(zhuǎn)變開始溫度和結(jié)束溫度。

1.2 試驗方案

將圓柱形試樣以20 ℃/s 的速度加熱到1 200 ℃，保溫3 min 后以10 ℃/s 的冷卻速度冷卻到850 ℃，保溫20 s 后以0.5～40 ℃/s 的速度冷卻至室溫，記錄冷卻過程中的熱膨脹曲線。

試驗結(jié)束后，試樣在熱電偶位置1/4 直徑處沿軸向切開。經(jīng)研磨、拋光和3%硝酸酒精腐蝕后，在Leica 光學(xué)顯微鏡和JSM-6490 LV 掃描電鏡上進行微觀組織觀察。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

圖1 為試驗鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線。從CCT 曲線可以看出，相變區(qū)域由珠光體區(qū)、貝氏體區(qū)和馬氏體區(qū)組成。試驗鋼冷卻速度在1 ℃/s 以下時，發(fā)生珠光體相變，冷卻速度在0.5～2 ℃/s 范圍內(nèi)時，發(fā)生貝氏體相變，冷卻速度為2 ℃/s 時，開始發(fā)生馬氏體相變，冷卻速度在5 ℃/s 以上時，發(fā)生單一的馬氏體相變。同時，隨著冷卻速度的增大，各相變產(chǎn)物的轉(zhuǎn)變溫度也降低了。

圖1 試驗鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線Fig.1 Continuous cooling transformation diagram of the experimental steel

圖2 為冷速對試驗鋼相變溫度的影響。從圖2可以看出，隨著冷速的增大，貝氏體相變開始溫度Bs、貝氏體相變結(jié)束溫度Bf、馬氏體相變開始溫度Ms、馬氏體相變結(jié)束溫度Mf均降低。在0.5～2 ℃/s冷速范圍內(nèi)，隨著冷速的增大，Bs、Bf的降幅較大。對于Ms、Mf，在5～10 ℃/s 范圍內(nèi)，隨著冷速的增大，其降幅也較大，但在10～40 ℃/s 范圍內(nèi)的降幅較小。

圖2 冷卻速度對試驗鋼相變溫度的影響Fig.2 Effect of cooling rate on the transformation temperature of the experimental steel

2.2 試驗鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變組織

圖3 和圖4 為試驗鋼在不同冷卻速度下的微觀組織。由圖3、4 可以看出，冷速為0.5 ℃/s 時，相變產(chǎn)物為珠光體和粒狀貝氏體，粒狀貝氏體占絕大部分，M-A 島呈塊狀分布在粒狀貝氏體基體上。冷速為1 ℃/s 時，珠光體消失，微觀組織為單一的粒狀貝氏體，M-A 島的形貌由塊狀向顆粒狀變化，其尺寸減小，數(shù)量增多。冷速增大到2 ℃/s 時，粒狀貝氏體基體上的M-A 島尺寸進一步減小，同時組織中出現(xiàn)板條馬氏體。冷速在5 ℃/s 以上時，微觀組織均為板條馬氏體，并且隨著冷速的增大，馬氏體板條的平均寬度減小。

圖3 試驗鋼在不同冷速下的光學(xué)顯微照片F(xiàn)ig.3 Optical micrographs of the experimental steel obtained under various cooling rates

微觀組織表明，隨著冷速增大，珠光體相變受到抑制，貝氏體及馬氏體相變得到加強。這是因為珠光體的形成主要受碳擴散控制，冷速增大，過冷度增大，碳原子擴散困難。貝氏體相變兼有碳原子擴散和半切變特征，在中等冷速下易于進行。而冷速進一步增大時，鐵及合金元素原子幾乎不擴散，母相奧氏體以均勻切變方式轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體[15]。

冷速為0.5～2 ℃/s 時，均有粒狀貝氏體相變發(fā)生。隨著粒狀貝氏體鐵素體相變的進行，殘余奧氏體中的碳含量逐漸增加。從粒狀貝氏體鐵素體配分的碳穩(wěn)定了殘余奧氏體，當(dāng)富碳奧氏體冷卻到馬氏體相變開始溫度以下時，它將部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使最終的微觀組織含有殘余奧氏體和高碳馬氏體。冷卻速度很低時，有足夠的時間進行奧氏體轉(zhuǎn)變，很小的殘余奧氏體顆粒會消失，留下更大尺寸的殘余奧氏體。冷速增加時，貝氏體鐵素體/奧氏體界面在相對較大的距離內(nèi)移動更快，在高于馬氏體相變開始溫度時，產(chǎn)生更小尺寸的殘余奧氏體顆粒[16]。

冷速超過5 ℃/s 時，馬氏體板條的平均寬度隨著冷速的增加而減小（如圖4、5 所示）。其原因在于馬氏體在母相中是非均勻形核的，除了奧氏體晶界位置，奧氏體晶內(nèi)的位錯缺陷也可以作為馬氏體的形核位置[17]。在未變形奧氏體溫度一定的前提下，冷速越大，相變前殘留在母相奧氏體的位錯數(shù)量越多，形成馬氏體后，其板條寬度越小。這與Ali、Dhua 等[8,18]在冷速對超高強鋼馬氏體組織影響方面的研究結(jié)果一致。

圖4 試驗鋼在不同冷速下的SEM 顯微照片F(xiàn)ig.4 SEM micrographs of the experimental steel obtained under various cooling rates

圖5 冷卻速度對馬氏體板條平均寬度的影響Fig.5 Effect of cooling rate on the average width of martensite lath

不難看出，Cr-Mo-Ni-B 系低碳低合金工程機械用超高強鋼在離線淬火時，淬火冷速宜控制在40 ℃/s以上，以獲得單一的馬氏體組織，同時實現(xiàn)馬氏體相變強化、位錯強化，提高其強度。但在實際生產(chǎn)中，淬火冷速受淬火機冷卻能力、水溫及工程機械用超高強鋼厚度限制。因此，對于一定厚度的Cr-Mo-Ni-B 系低碳低合金工程機械用超高強鋼，其離線淬火冷速要大于臨界冷速，且在淬火機冷卻能力范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

1) 隨著冷速的增大，試驗鋼的Bs、Bf、Ms、Mf相變溫度均降低，珠光體相變受到抑制，貝氏體相變及馬氏體相變得到加強。

2) 冷速在1 ℃/s 以下時，試驗鋼發(fā)生珠光體相變，冷速為0.5～2 ℃/s 時，發(fā)生貝氏體相變，在5～40 ℃/s 的冷速范圍內(nèi)，發(fā)生單一的馬氏體相變。

3) 在粒狀貝氏體形成溫度范圍內(nèi)，隨著冷速的增大，M-A 島的形貌由塊狀向顆粒狀變化，其尺寸減小，數(shù)量增多。在馬氏體形成溫度范圍內(nèi)，隨著冷速的增大，馬氏體板條的平均寬度減小。

4) 離線淬火冷速是Cr-Mo-Ni-B 系低碳低合金工程機械用超高強鋼離線熱處理的重要參數(shù)，其數(shù)值不小于臨界冷速，也不超過淬火機冷卻能力。