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认识等温淬火处理中碳钢的组织及力学性能（二）

更新时间：2015.11.19 新闻来源：

3 试验结果及分析
3.1 组织
　　S55C钢在400℃和300℃进行等温淬火处理，观察OM照片发现，400℃、300℃的贝氏体铁素体（BF）形状分别为板条状和板状。而且，观察S55C、SUP9和SUP7钢在400℃和300℃等温淬火处理后的SEM照片，发现S55C钢在400℃和300℃等温淬火处理后所有BF内部均发现碳化物。而且在所有的钢中，等温淬火处理温度300℃的碳化物要比400℃时更细。在此，清楚了400℃的S55C的组织是B-Ⅲ型上贝氏体，300℃的S55C组织是典型的下贝氏体。SUP9等温淬火处理后呈现出与S55C基本相同的组织。另一方面，SUP7与在同温度进行等温淬火处理的S55C相比，BF内部的碳化物明显减少。认为这是因Si含量增加使渗碳体（θ）的核生成驱动力降低，抑制了θ的生成。此外，即使生成θ时，其成长也受Si影响，认为在BF/θ界面富集的Si抑制θ的成长。SUP12与同一温度等温淬火处理的SUP9相比，BF内部的碳化物以更细长形状微细分散。
　　任意温度进行等温淬火处理时，随着保温时间的增加，马氏体比率减少。400℃的相变中，残余奥氏体比率随保温时间而增加。但是，认为随着BF的生成，C原子从BF向未相变奥氏体渗透，所以，未相变奥氏体由于C含量的增加而变得稳定。在400℃相变后期，残余奥氏体比率随着保温时间的增加而减少。观察SUP7 400℃相变后期的SEM照片，发现从未相变的奥氏体中析出大量碳化物，由于碳化物析出消耗了C，使得未相变奥氏体中的C含量降低。在300℃相变中，残余奥氏体比率随着保温时间的增加而减少，认为这与400℃相变一样，是未相变奥氏体的C含量增加导致稳定化的原因。但是，在300℃相变后期，残余奥氏体比率随着保温时间的增加而减少。但残余奥氏体中的C含量与400℃时不同，随着保温时间的增加而增加。观察SUP7 300℃相变后期的SEM照片，发现碳化物析出量与S55C比较，有减少的倾向。因此，认为在300℃相变后期，Si含量高的SUP7和SUP12的残余奥氏体中C含量增加是C从BF向未相变奥氏体渗透，未相变奥氏体析出的碳化物量减少，C消耗也减少的原因。
3.2 力学性能
　　SUP9的各特性基本与S55C相同。SUP7与S55C比较，0.2%屈服强度低，断裂伸长率高。而SUP12相对于SUP9，抗拉强度和0.2%屈服强度更高，保温时间在0.3ks~2.4ks范围内，断裂伸长率和冲击功更高。
　　SUP9和SUP7与S55C相比，抗拉强度和0.2%屈服强度都低，断裂伸长率高。而SUP12与SUP9比较，抗拉强度和冲击功高，保温时间在2.4ks~10.8ks范围内，0.2%屈服强度也高。
　　0.2%屈服强度随着马氏体和残余奥氏体比率的增加而减少。另一方面，0.2%屈服强度随着BF比率增加而增加。认为这有助于提高马氏体可动位错密度和软化残余奥氏体。
　　观察300℃等温淬火处理的SUP7和SUP12拉伸试验前后的晶体结构图，发现试验后的组织为均匀应变，SUP7和SUP12的均匀伸长率分别是5.8%和3.6%。拉伸试验前，两种钢在BF界面存在的残余奥氏体比率，在拉伸试验后减少。结构图中不能鉴别的黑色部分推测是残余奥氏体应变诱导相变的马氏体。如果比较拉伸试验前后残余奥氏体比率的减少量，相对于SUP12的7.6%，SUP7减少3.8%。这是因为SUP7残余奥氏体中的C含量（1.32%）比SUP12残余奥氏体中的C含量（1.16%）高。所以，在同一应变量时，SUP7的残余奥氏体与SUP12的残余奥氏体相比，不易诱导马氏体相变。
　　对应残余奥氏体的（311）面的衍射峰值随着应变量的增加向低角度一侧移动。随着应变量的增加，残余奥氏体比率减少，残余奥氏体中的C含量增加。但是，从X射线衍射求出的残余奥氏体中的C含量始终是平均值，实际上存在局部差异。因此，推测随着应变从较低C含量的残余奥氏体依次引起马氏体相变，残余奥氏体比率逐渐减少，由于拉伸应变的叠加，残余奥氏体中的平均C含量增加。
　　观察300℃等温淬火处理各钢的均匀伸长率与残余奥氏体比率的关系，发现全部钢试样都存在由于残余奥氏体比率增加均匀伸长率增加的倾向。
　　研究300℃等温淬火处理后各钢的抗拉强度减去0.2%屈服强度的值（以下记为：△σ）与组织比率的关系，发现△σ随着马氏体和残余奥氏体比率的增加而增加。另一方面，△σ随着BF比率的增加而减少。马氏体因可动位错密度高，使0.2%屈服强度降低。残余γ的增加带来因应变诱导相变产生的马氏体量增加。所以，在硬质相分率增加的同时，使周围的软质相BF的加工硬化增大，有助于增加抗拉强度。如果注意到BF本身的影响，估计每1%BF比率的△σ变化，相应增加约3MPa。据此，采用除S55C外的数据，计算出马氏体比率对△σ的影响，马氏体比率增加1%，△σ约增加33MPa。S55C残余奥氏体比率变小，对△σ的影响可以忽略，所以，BF比率的变化对△σ的影响相比与马氏体比率的变化对△σ的影响非常小。
　　分析300℃等温淬火处理的各钢的抗拉强度与断裂伸长率的关系。为了比较，同时列出了淬火+回火处理（QT）材的数据。等温淬火处理的S55C和SUP9的强度-延性平衡与QT材大致相等。在保温时间0.6ks~3.6ks范围内，等温淬火处理SUP7的断裂伸长率比同等强度的QT材高。但是，残余奥氏体中的C含量高，不易应变诱导马氏体相变，所以，抗拉强度低，约为1800MPa，作为高强度弹簧强度不够。在保温时间0.6ks~10.8ks范围内，SUP12获得超过1800MPa的高抗拉强度，而且断裂伸长率比淬火+回火材高。这是因为SUP12与SUP7相比，在同一保温时间内的马氏体含量高，残余奥氏体中的C含量低，所以容易引起应变诱导马氏体相变。
　　研究300℃等温淬火处理各钢的冲击功与马氏体、BF、残余奥氏体比率的关系可知，对任意钢试样，冲击功都随着马氏体比率的增加而减少，随着BF和残余奥氏体比率的增加而增加。研究300℃等温淬火处理的SUP9、SUP7和SUP12的抗拉强度与冲击功的关系可知，SUP9的强度-韧性平衡等同与QT材。而SUP7和SUP12分别在保温时间0.3ks~2.4ks和0.6ks~2.4ks范围内，冲击功比同等强度的QT材高，显示了更优良的强度-韧性平衡。
　　从上述结果可知，添加Si的残余奥氏体的下贝氏体组织形成有助于提高等温淬火处理材的强度-韧性平衡，300℃等温淬火处理的SUP12的贝氏体/马氏体/残余奥氏体的混合组织显示了超过1800MPa的高抗拉强度和良好的延韧性。关于SUP6等温淬火处理材，贝氏体+残余奥氏体的双相组织的力学性能的报告中，抗拉强度最大约1600MPa。本研究中表明，为使抗拉强度增加到高强度弹簧要求的水平，利用马氏体是有效的方法。在低碳TRIP钢（0.2%C-1.51%Si-1.54%Mn钢）中，以贝氏体+回火马氏体+残余奥氏体的三相组织，抗拉强度最大达到约1300MPa，认为是初期组织中的马氏体相的加工硬化带来高强度，这与本研究中获得的结果非常吻合。
4 结语
　　研究了等温淬火处理的S55C、SUP9、SUP7和SUP12的组织及力学性能，得出以下结论：
（1）通过400℃、300℃等温淬火处理生成的组织分别是上贝氏体、下贝氏体。S55C以及Cr含量更高的SUP9生成含碳化物的BF。另外，在Si含量高的SUP7及SUP12中发现了，随着BF的生成，抑制了碳化物的生成，残余奥氏体比率增加。
（2）0.2%屈服强度随着马氏体和残余奥氏体比率的增加而减少，随BF比率增加而增加。由于拉伸应变量的增加，残余奥氏体应变诱导相变为马氏体。而且，残余奥氏体C含量越低，相对于拉伸应变，越易诱导马氏体相变。
（3）屈服后的加工硬化量随着马氏体和残余奥氏体比率的增加而增加，随着BF比率的增加而减少。而均匀伸长率则随着残余奥氏体比率的增加而增加。
（4）冲击功随着马氏体比率的增加而减少，随着BF和残余奥氏体比率的增加而增加。
（5）300℃等温淬火处理SUP12钢的抗拉强度超过了1800MPa，而且显示了良好的延韧性

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