朱 飛，何宜柱，楊 磊

(安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院，安徽馬鞍山243032)

我國重載卡車主要為雙層結(jié)構(gòu)大梁設(shè)計，大梁鋼的屈服強度為355～420 MPa[1]。重載車的服役條件要求大梁鋼應同時具有高強度、低屈強比、高延伸率等力學性能。如果采用屈服強度為550 MPa鋼板制作重載卡車縱橫梁，可使車體減重1/3以上。10～30 mm鋼板屈服強度≥550 MPa、抗拉強度為640～770 MPa、比例延伸≥20%、屈強比≤0.87，性能控制的關(guān)鍵在于保證其在高強度條件下仍然維持良好的塑性。雙相鋼組織為鐵素體及馬氏體，“硬相”馬氏體體積分數(shù)為5%～20%，并呈島狀分布于“軟相”鐵素體基體中[6]，強度主要由馬氏體決定，塑韌性主要由鐵素體決定。故雙相鋼兼具較高的強度、良好的塑韌性及較低的屈強比[7]，其已廣泛應用于汽車工業(yè)[2-5]。如果選取雙相組織的鋼板設(shè)計重載卡車大梁，則組織中非熱力學穩(wěn)定態(tài)的馬氏體易使大梁構(gòu)件在服役過程中產(chǎn)生氫脆，而回火馬氏體具較高的熱力學穩(wěn)定性，可減輕上述不利的影響。為此，筆者以重載車梁鋼為試驗對象，研究其經(jīng)不同臨界淬火(Inter-critical Quenching，IQ)溫度處理后鐵素體與馬氏體雙相組織的演化規(guī)律，并探討其IQ處理回火后的力學性能變化，以期獲得強度和塑性力學性能組合最佳的重載車梁鋼。

1 試驗材料及方法

試驗材料為國內(nèi)某公司產(chǎn)20 mm厚熱軋狀態(tài)重載車梁鋼，化學成分如表1。采用Thermal-calc軟件計算試驗鋼平衡相變溫度，其中奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度θAc1為690.5℃，奧氏體轉(zhuǎn)變終了溫度θAc3為816.85℃。據(jù)此將試驗鋼分別加熱至730，760，780，800，810，820，840℃保溫60 min后在過飽和鹽水中淬火至室溫。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，試驗鋼820℃淬火后的組織仍為雙相(相變尚未達到平衡)，故認為820℃淬火為臨界兩相區(qū)淬火(IQ)溫度。將760，780，800，810，820℃淬火后的試樣在520℃保溫60 min后回火，熱處理制度見圖1。上述加熱保溫過程全部在電阻爐中完成，加熱速率為5～6℃/min。

表1 試驗鋼化學成分，w/%Tab.1 Chemical composition of the test steel,w/%

采用線火花切割方法在淬火狀態(tài)試驗鋼上截取塊體試樣，并對其進行研磨拋光，依據(jù)文獻[8]中的方法，采用Lepera試劑侵蝕IQ狀態(tài)試樣，采用ZEISS光學顯微鏡 (Optical Microscope，OM)對試樣進行組織觀察。利用軟件Image pro依據(jù)體視學方法測定試樣組織馬氏體(M)體積分數(shù)，隨機選取每個試樣侵蝕后的5個視場(×500)用于測定M體積分數(shù)，取其平均值。此外，對經(jīng)研磨拋光的IQ狀態(tài)及840℃淬火試樣利用體積分數(shù)為4%硝酸酒精腐蝕后，采用JSM-6490LV型鎢燈絲掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)對其進行組織形貌觀察。

圖1 試驗鋼熱處理制度示意圖Fig.1 Schematic diagram of the heat treatment route of test steel

將淬火并回火后的試樣加工成標準短比例試樣(試樣拉伸軸方向垂直于軋制方向)，試樣工作段直徑為6 mm，標距長度為30 mm。拉伸試驗按GB/T 228.1—2010[9]進行，在斷裂試樣上測量試樣拉伸后的標距長度，計算得出比例延伸A5。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗鋼平衡熱力學分析

圖2 試驗鋼不同溫度下奧氏體中C、Mn元素含量Fig.2 Contents of C,Mn in austenite of the test steel at different temperatures

試驗鋼在臨界兩相溫度區(qū)間(θAc1～θAc3)保溫獲得的奧氏體及其成分基本決定后續(xù)淬火形成的馬氏體相含量。圖2為試驗鋼在不同溫度下奧氏體中C，Mn元素含量。由圖2可知：奧氏體中C，Mn元素含量隨溫度的升高而單調(diào)降低，而后穩(wěn)定至某一水平；隨著臨界溫度的升高，C，Mn元素在奧氏體中的含量降低，當溫度達到θAc3及以上時，C，Mn元素含量近乎全部固溶于奧氏體中，近于試驗鋼名義含量；730℃時奧氏體中C，Mn質(zhì)量分數(shù)分別為0.47%，2.84%，760℃時C，Mn質(zhì)量分數(shù)分別為0.29%，2.12%。由此表明，試驗鋼奧氏體中C，Mn元素含量在臨界區(qū)溫度范圍內(nèi)隨溫度的升高而降低，尤其在低臨界溫度時奧氏體中C，Mn元素會發(fā)生數(shù)倍的富集(相較于試驗鋼名義含量而言)。

2.2 試驗鋼雙相組織演化

試驗鋼在不同IQ溫度下處理后的OM組織如圖3。由圖3可知：在Lepera試劑侵蝕下，試驗鋼組織中馬氏體(亮白色)和鐵素體(深灰色)區(qū)分較為明顯，這一組織特征與公認的雙相鋼組織特征相符[10-11]；在低IQ溫度下(730，760℃)組織中亮白色馬氏體分布于鐵素體晶界處，為亞組成相；在高IQ溫度下(810，820℃)亮白色馬氏體呈連續(xù)的基體相且其上分布有鐵素體。試驗鋼在不同IQ溫度下M體積分數(shù)的測定結(jié)果如圖4。由圖4可知：隨著IQ溫度的升高，試驗鋼M體積分數(shù)增加并逐漸成為基體相，800℃時，M成為半基體相，體積分數(shù)為49.13%；810，820℃時，試驗鋼M體積分數(shù)分別為53.1%，68.8%。

圖3 試驗鋼不同IQ溫度淬火后的OM圖像Fig.3 OM images of the test steels quenched at different IQ temperatures

試驗鋼不同IQ溫度及840℃奧氏體固溶處理后的SEM組織如圖5。由圖5可知：低IQ溫度下島狀M突出并呈亮白色分布在鐵素體基體上，隨著IQ溫度的升高M出現(xiàn)粗化現(xiàn)象直至M成為連續(xù)基體相且其上分布有鐵素體，這與試驗鋼OM組織觀察相符；試驗鋼在840℃淬火時得到全部的M組織，并可觀察到明顯的原A晶界；730℃時，鐵素體晶界上分布有大量形狀不規(guī)則的島狀馬氏體，這是由于晶界等缺陷降低了奧氏體的形核勢壘，提供了有利的新相形核位置[12]；同時在鐵素體晶粒內(nèi)部可觀察到少量尺寸細小(與晶界馬氏體相比)）、形狀圓整的馬氏體粒子。文獻[12]中利用透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，TEM)對上述鐵素體晶內(nèi)存在的尺寸細小的馬氏體粒子進行研究，結(jié)果表明部分細小馬氏體顆粒為M/A組元，但很難從圖5(a)中觀察到鐵素體晶粒內(nèi)部M顆粒的精細亞結(jié)構(gòu)。鐵素體晶粒內(nèi)部細小M/A組元存在的原因為低IQ溫度下鐵素體晶粒內(nèi)部形成的C，Mn元素富集奧氏體島，其具有較低的馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(Ms)，同時奧氏體尺寸穩(wěn)定化效應導致隨后淬火冷卻過程中原奧氏體小島轉(zhuǎn)變?yōu)镸與Ar混合的細小顆粒[13-14]。

圖4 試驗鋼不同IQ溫度下的M含量Fig.4 M content of the test steel quenched at different temperatures

由圖5(a)～(c)可知，試驗鋼在730，760，780℃的SEM組織中部分M呈島狀或顆粒狀，這與其光學組織相符。由圖5(d)～(f)可知，隨著IQ溫度的升高，馬氏體形貌逐漸發(fā)生變化，在800～820℃范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯板條狀馬氏體，原奧氏體晶粒內(nèi)部出現(xiàn)取向不同的板條束。Bhadeshia等[15]與劉宗昌等[16]認為，馬氏體的形態(tài)變化與原奧氏體固溶的C，Mn元素有關(guān)。鋼中碳及Mn等元素對馬氏體形態(tài)的影響是通過影響馬氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度(Ms)而使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌蚊驳腗。試驗鋼在較低IQ溫度下獲得的奧氏體富含C，Mn元素因而具有較低的Ms，淬火后獲得的馬氏體形態(tài)主要為顆粒狀或島狀，亞結(jié)構(gòu)一般為孿晶；在較高IQ溫度下原奧氏體中固溶的C，Mn元素減少，接近于試驗鋼名義含量，因而具有較高的Ms點，在隨后的淬火冷卻過程中，馬氏體出現(xiàn)板條形態(tài)M，亞結(jié)構(gòu)為位錯。合金鋼的Ms點影響M形貌的機理比較復雜，徐祖耀認為[17]，M內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)由馬氏體的相變方式(滑移或?qū)\生)決定，即受發(fā)生滑移或?qū)\生的臨界切應力大小的影響。對于具有較高Ms點的低碳或低合金成分鋼，引起滑移所需的臨界切應力低于引起孿生的臨界切應力，因而得到亞結(jié)構(gòu)為位錯的板條馬氏體。如果原A富含碳及合金元素，較低的Ms(發(fā)生M相變的自由能較大導致)引起孿生所需的臨界切應力小，則得到亞結(jié)構(gòu)為孿晶的馬氏體。計云萍等[18]認為，過冷奧氏體發(fā)生M相變需克服的應變能由兩個因素決定：M相變引起的比容增加；母相基體的彈性模量(與溫度負相關(guān))。鋼中碳及合金元素含量增加，Ms降低。此時M相變將克服極大的應變能，但若按照鏡面對稱的方向長大則可調(diào)整應變能，這是形成相變孿晶的原因之一。

圖5 試驗鋼在IQ溫度及840℃固溶溫度下淬火的SEM組織Fig.5 SEM images of the test steels at different IQ temperatures and 840℃solution temperature

2.3 試驗鋼的力學性能分析

試驗鋼在IQ溫度760，780，800，810，820℃處理后、520℃回火60 min的SEM組織如圖6。

圖6 試驗鋼在不同IQ溫度淬火520℃回火60 min后的SEM圖像Fig.6 SEM images of the test steel after quenching at different IQ temperatures and tempering at 520℃for 60 min

由圖6知，IQ狀態(tài)試驗鋼經(jīng)520℃回火后的組織由回火馬氏體、鐵素體及碳化物粒子構(gòu)成，碳化物粒子(白亮色)析出于原馬氏體內(nèi)部及晶界位置，試驗鋼高溫回火產(chǎn)生的回火M是強碳化物形成元素Nb、Mo及非碳化物形成元素Si提高了馬氏體穩(wěn)定性所致。

圖7為試驗鋼在不同IQ溫度淬火且520℃回火60 min后的屈服強度、抗拉強度、比例延伸A5及屈強比。由圖7(a)可知，在520℃回火條件下，試驗鋼屈服及抗拉強度隨IQ溫度升高而升高，810℃及以上溫度淬火時，試驗鋼因單位IQ溫度升高而導致的強度增加較明顯。這是由于試驗鋼在820℃淬火時，馬氏體成為基體相且單位溫度的升高引起M含量迅速增加，與試驗鋼810℃淬火組織的馬氏體含量相比，試驗鋼820℃淬火組織的馬氏體體積分數(shù)增加約16%。由圖7(b)可知，試驗鋼A5隨IQ溫度的升高而降低，當IQ溫度在810℃及以上時，試驗鋼的比例延伸下降較為明顯，這是由于軟相鐵素體成為次組成相并在拉伸過程中承受的應變配分減小而硬質(zhì)相回火馬氏體承受大部分的應變。如圖7(c)所示：屈強比并沒有隨IQ溫度變化而單調(diào)變化，較低的IQ溫度范圍內(nèi)，屈強比隨著IQ溫度的升高而降低，并在800℃時得到最低的屈強比0.835；在810，820℃回火后，屈強比突增至約為0.86。屈強比的上述變化是下述因素綜合作用所致：試驗鋼IQ淬火并經(jīng)520℃回火后，由于M中碳化物析出不夠充分，F(xiàn)及回火M仍然存在C，Mn含量的不同而導致兩相固溶強度差異，在隨后的拉伸過程中，微裂紋易在強度差異較大的兩相界面萌生和擴展，導致材料過早斷裂及低IQ溫度下的高屈強比；在較高的IQ溫度下(810℃及以上)，試驗鋼回火后的組織中硬質(zhì)相回火馬氏體成為基體相，其承受絕大部分的應力應變而導致較高的屈強比；IQ溫度為800℃時，試驗鋼淬火后獲得最佳的原始組織匹配(軟硬相組成約各占50%)，因而表現(xiàn)出最佳的屈強比。

圖7 試驗鋼在不同IQ溫度淬火及520℃回火60 min后的拉伸力學性能Fig.7 TensilemechanicalpropertiesofteststeelafterquenchingatdifferentIQtemperaturesandtemperingat520℃for 60min

2.4 試驗鋼拉伸斷口分析

試驗鋼在760，800，820℃臨界區(qū)淬火及520℃回火60 min后的拉伸斷口SEM形貌見圖8。由圖8可知：試驗鋼在760，800℃處理后的斷裂方式為微孔聚集型斷裂，斷口上均分布有不同尺寸及深度的韌窩，說明其在拉伸形變直至斷裂的過程中發(fā)生明顯的塑性變形；試驗鋼在820℃處理后的拉伸斷口主要為準解理斷口，但有少量韌窩且韌窩深度較淺，這是由于試驗鋼820℃經(jīng)受臨界區(qū)淬火并回火處理后組織基體為硬質(zhì)回火馬氏體，在單軸拉伸過程中承受絕大部分的應力及應變，微裂紋形核及擴展主要以解理形式在基體硬質(zhì)相中進行（塑性變形小），形成準解理斷口[19]。同樣解釋了IQ溫度為820℃時，試驗鋼比例延伸的劇降。

圖8 試驗鋼在不同IQ溫度處理及520℃回火后的斷口形貌Fig.8 Fracture morphologies of the test steel after quenching at different IQ temperatures and tempering at 520℃

3 結(jié)論

1)IQ溫度上升導致試驗鋼淬火組織粗化，IQ溫度不僅影響M相含量，并且影響此溫度下形成馬氏體的C、Mn等元素含量，進而影響M的形貌；M含量隨IQ溫度的升高而升高，800℃以下時，M主要以島狀分布在鐵素體基體上，800℃及以上淬火時，M成為基體相，且部分M開始呈明顯的板條狀形貌。

2)試驗鋼經(jīng)系列IQ溫度淬火且回火處理后，屈服強度及抗拉強度隨著IQ溫度的升高而升高；比例延伸A5隨IQ溫度的升高而降低，IQ溫度為810℃及以上時，軟質(zhì)相F成為次組成相，含量下降明顯；屈強比與IQ溫度的關(guān)系比較復雜，兩者關(guān)系呈“V”形分布，在IQ溫度為800℃時，試驗鋼淬火后獲得最佳的原始組織匹配（軟硬相約各占50%），因而表現(xiàn)出最低的屈強比。