陳潔明,李雪峰,2,王 剛,潘恒沛,張先鋒

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所,洛陽(yáng) 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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,洛陽(yáng) 471023；3.洛陽(yáng)雙瑞萬(wàn)基鈦業(yè)有限公司,洛陽(yáng) 471000)

40Cr鋼是一種中碳低合金高強(qiáng)鋼，具有良好的淬透性，優(yōu)良的機(jī)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(fù)荷、中等轉(zhuǎn)速的機(jī)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(jià)格較低、性價(jià)比較高，是機(jī)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(huì)引起工件報(bào)廢。近些年來(lái)，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(qiáng)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(qiáng)度略有下降，但是韌性卻有較大的提高，同時(shí)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(lái)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(yàn)工作帶來(lái)了一定的困難。筆者對(duì)經(jīng)不同熱處理工藝后的40Cr鋼顯微組織進(jìn)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(qiáng)下貝氏體顯微組織形貌的辨認(rèn)提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

1.1 試驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行微觀分析，采用VH3300型顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)材料

40Cr鋼的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，可見(jiàn)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(hào)為1#和2#，直徑均為20 mm，長(zhǎng)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(shí)間為60 min，防脫碳保護(hù)，(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(shí)間為60 min，防脫碳保護(hù)，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(yàn)結(jié)果

2.1 金相檢驗(yàn)

在1#，2#試樣上截取長(zhǎng)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(jìn)行金相檢驗(yàn)，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(qiáng)烈，圖1a)中藍(lán)色塊狀區(qū)域?yàn)樯倭康纳县愂象w，白色區(qū)域?yàn)樯倭康臍堄鄪W氏體，黃褐色短針狀組織為馬氏體，其余大部分黑藍(lán)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(jìn)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(zhǎng)軸夾角約為60°，且大多在原奧氏體晶界形核長(zhǎng)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(guò)回火處理，擴(kuò)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(jìn)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?yàn)橄仑愂象w，形貌特征為成排的板條鐵素體上分布著長(zhǎng)條狀碳化物，碳化物排列方向與鐵素體長(zhǎng)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(duì)1#，2#試樣進(jìn)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(jì)。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(jiàn)馬氏體的碳過(guò)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以確定1#試樣的灰度臨界值[8]，經(jīng)軟件進(jìn)行處理后得到1#試樣的衍射花樣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)圖[(見(jiàn)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(duì)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(qiáng)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(cè)試

依據(jù)GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，分別對(duì)1#，2#試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)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(cè)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(duì)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(yàn)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(qiáng)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(zhǎng)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(cè)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(guò)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(shí)是切變形成，無(wú)擴(kuò)散性，屬于含碳的過(guò)飽和固溶體；而下貝氏體形成過(guò)程伴隨著碳元素的擴(kuò)散，會(huì)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(zhǎng)軸夾角呈60°，而馬氏體是碳的過(guò)飽和固溶體，沒(méi)有碳化物析出。

4 結(jié)語(yǔ)

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(xì)針狀組織密集排列，方向感強(qiáng)烈。下貝氏體的TEM形貌特征為條狀鐵素體上沉淀有細(xì)密的長(zhǎng)條狀碳化物，排列整齊，與鐵素體長(zhǎng)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%。