本文研究了0.06%C低合金鋼在經(jīng)過系列鹽浴等溫?zé)崽幚砗笤偎惬@得的貝氏體/馬氏體組織的力學(xué)性能。在鹽浴熱處理30-330s后，測定了試樣的硬度、拉伸性能和韌性。結(jié)果表明，與未經(jīng)鹽浴熱處理的直接淬火鋼相比，所獲得的微觀組織顯著改善沖擊韌性（高達187J）和塑性（臨界壓下率高達71.4%），同時具有高的硬度（239±4HV）和抗拉強度（720-800MPa）。

1引言

含有貝氏體的雙相鋼（DP）除了成本低外，還具有優(yōu)異的力學(xué)性能。這些鋼的組織表現(xiàn)出良好的塑性、韌性和高強度，這些性能已經(jīng)在汽車工業(yè)應(yīng)用幾十年。DP組織可以通過控制熱處理方式獲得。最常見的鐵素體-馬氏體DP鋼采用這樣的工藝獲得：先將奧氏體在A1-A3雙相區(qū)溫度區(qū)間轉(zhuǎn)變成鐵素體，隨后通過快冷使殘留的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。

貝氏體/馬氏體鋼被廣泛研究，但是目前還未見低碳低合金貝氏體/馬氏體鋼研究的報道。從奧氏體轉(zhuǎn)變成貝氏體的工藝主要集中在生產(chǎn)貝氏體鋼和其他結(jié)構(gòu)鋼，它們含超過0.1%C和其他合金化元素。在以前對多相鋼的研究中，實現(xiàn)這些組織需要長時間熱處理，這是由于獲得貝氏體/馬氏體組織的一般途徑是將奧氏體化鋼淬火至貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間，保溫足夠時間后，空冷至室溫。為了消除殘余應(yīng)力，促進殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成貝氏體，需要將試樣在貝氏體形成溫度區(qū)間回火1-2h。根據(jù)早期研究結(jié)果，在等溫的前1min內(nèi)，奧氏體分解并快速轉(zhuǎn)變成貝氏體，從而為短的等溫處理時間后獲得的鋼性能改善提供支撐。

本研究的目的是研究并尋找一種新型低碳低合金鋼熱處理方式，利用鹽浴等溫處理生產(chǎn)出具有高強度、更大總伸長率以及良好韌性的鋼材。傳統(tǒng)上，這種鋼通過熱鍛后直接淬火工藝生產(chǎn)，但這種處理方式造成微觀組織為完全馬氏體，盡管具有非常高的強度，但韌性有限。

2試驗材料和試驗過程

研究用鋼采用連鑄工藝生產(chǎn)，鋼種牌號為Imaf orm（其化學(xué)成分見表1），它是專門為汽車工業(yè)而開發(fā)的，主要用于熱鍛，尤其是熱成形。這種鋼具有良好的力學(xué)性能、疲勞強度和切削性能。其中一個優(yōu)勢是熱鍛后不需要回火處理。室溫下平均抗拉強度和夏比V型沖擊韌性分別在950-1050MPa和60-100J。淬火后硬度（HV）為290-360。試驗用Imaf orm鋼為直徑30mm的鍛棒。

棒狀試樣在1203K（930℃）奧氏體化，隨后在773K（500℃）鹽浴爐內(nèi)淬火30s、60s、90s、150s、210s、270s和330s后獲得混合組織，隨后水淬至室溫。鹽浴溫度是根據(jù)該鋼的連續(xù)轉(zhuǎn)變（CCT）曲線制定的。使用鹽浴爐的目的是足夠快地達到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，從而躲開鐵素體和珠光體鼻子尖及發(fā)生相應(yīng)的相變。

為了掌握試驗鋼的轉(zhuǎn)變動力學(xué)，利用Gl eebl e 3800熱模擬試驗機，采用電阻加熱，測定動態(tài)CCT曲線。其中，以10℃/s將直徑5mm、高5mm試樣加熱至1373K（1100℃），保溫120s。之后，試樣以2℃/s的冷速冷卻至1273K（1000℃）。在至1273K（1000℃）后，立即以10種不同的冷卻速率（0.2-100℃/s）進行連續(xù)冷卻試驗。在冷卻過程中，測量膨脹變化，從而確定轉(zhuǎn)變溫度點。按照與CCT曲線相等的測試條件測定時

間-溫度-轉(zhuǎn)變（TTT）曲線。在經(jīng)過相等的加熱步驟后，從1273K（1000℃）按180℃/s進行加速冷卻。為了確定等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)，在從623-973K（350-700℃）之間9個不同溫度點終止冷卻。在等溫保溫過程中，通過膨脹分析測定轉(zhuǎn)變。

拉伸試驗所用試樣為沙漏形，測量段的圓柱長36mm、直徑6mm。拉伸試樣及試驗過程符合國際標準EN 10002-1。拉伸試驗在MTS試驗機上進行，拉伸速度0.6mm/min，在室溫下將試樣拉斷。

測定臨界壓下率的試驗用試樣高21mm、直徑14mm，在室溫下進行壓縮試驗。每次將試樣壓縮0.5mm，直到肉眼觀察到第一根裂紋，此時總的壓下率規(guī)定為臨界壓下率。夏比V缺口沖擊試樣為標準沖擊試樣，斷面10mm×10mm。硬度用維氏硬度計InnovaTest測試，施加載荷10kg。

3結(jié)果

3.1 CCT和TTT曲線

試驗鋼的CCT和TTT曲線分別如圖1和圖2所示。同時，在TTT曲線圖上給出試驗過程示意圖。Bs/Bf和As/ Af分別代表貝氏體和鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)間。根據(jù)圖中所示的貝氏體轉(zhuǎn)變曲線，選擇773K（500℃）作為鹽浴溫度。本研究中，避免發(fā)生鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變。試驗材料的淬透性低，由于在冷卻過程中甚至當(dāng)冷卻速率達到180℃/s時也出現(xiàn)貝氏體，因此低于773K（500℃）的部分TTT曲線不確定。此外，由于碳含量低，在光學(xué)顯微組織照片區(qū)分貝氏體和馬氏體太不可靠，因此沒有計算貝氏體和馬氏體體積分數(shù)。

3.2硬度

材料硬度與鹽浴等溫時間的關(guān)系如圖3所示。甚至當(dāng)組織中僅存在少量的貝氏體，硬度就下降了27%。不過，延長鹽浴保溫時間，不會造成硬度降低。在鹽浴60s后，硬度保持相對穩(wěn)定在239±4HV。根據(jù)觀察結(jié)果，對于貝氏體/馬氏體鋼，提高貝氏體含量，沒有發(fā)現(xiàn)硬度明顯降低。

3.3拉伸性能

對每一個熱處理試樣都進行了拉伸性能試驗，圖4為拉伸性能隨鹽浴處理時間的變化。從圖4可以看出，稍微提高貝氏體含量，總伸長率提高，但同時抗拉強度降低。100%馬氏體鋼的抗拉強度最高，但總伸長率卻最低。隨著鹽浴處理時間的延長，抗拉強度首先降低，最終保持不變。從未經(jīng)鹽浴處理到鹽浴處理60s，抗拉強度降低了21%。在鹽浴處理270s后，總伸長率達到最大值，比100%馬氏體試樣高出18%。甚至在經(jīng)過最短的鹽浴處理后，伸長率也提高了10%。

3.4夏比沖擊韌性和臨界壓下率

室溫下沖擊性能和臨界壓下率與鹽浴等溫處理時間的關(guān)系曲線如圖5所示。臨界壓下率為試樣壓下高度與原始高度的比值。從圖5可以看出，剛開始，夏比沖擊韌性隨著鹽浴處理時間延長而提高，接著開始下降，隨后在150s達到峰值，之后又開始下降。當(dāng)?shù)葴貢r間延長到150s，夏比沖擊韌性達到最大。值得提出的是，當(dāng)鹽浴等溫時間進一步延長，則沖擊韌性降低。臨界壓下率的變化遵從類似規(guī)律，剛開始隨著鹽浴處理時間延長而提高，接著開始下降，隨后在210s達到最大值71.4%，之后又開始下降。根據(jù)試驗結(jié)果，研究鋼在30s、150s、210s和270s鹽浴處理后，臨界壓下率均超過65%。

4討論

貝氏體/馬氏體鋼采用在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)鹽浴處理的方式生產(chǎn)。等溫溫度根據(jù)圖1和圖2所示的CCT曲線和TTT曲線進行選擇。本研究鋼的貝氏體（Bs）和馬氏體（Ms）轉(zhuǎn)變開始溫度分別在833K（560℃）和753K（480℃）。本研究中選擇773K（500℃）作為鹽浴處理溫度。貝氏體/馬氏體組織的生產(chǎn)工藝如下：通過從奧氏體化溫度淬火至貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間形成貝氏體、隨后水淬至室溫，使未轉(zhuǎn)變的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。室溫下也可能存在一定量殘余奧氏體。

硬度（HV10）隨鹽浴保溫時間的變化在圖3中給出。本研究試驗結(jié)果與早期研究不同，早期研究認為硬度變化歸因于化學(xué)成分，特別是碳含量和交互應(yīng)力的作用。另外，還認為隨著處理時間延長和臨界

退火溫度提高，碳化物在奧氏體中固溶，造成貝氏體/馬氏體鋼的硬度提高。而交互作用參數(shù)反過來受到不同相的不同熱膨脹系數(shù)的影響。在本研究中，當(dāng)鹽浴處理時間超過30s后，硬度保持恒定不變，說明組織大部分轉(zhuǎn)變成貝氏體。從60s到330s的時間對任何要發(fā)生的硬度變化而言都是太短了。

拉伸試驗結(jié)果表明，未經(jīng)鹽浴處理的試樣或鹽浴處理30s的試樣表現(xiàn)出較高的抗拉強度水平。對那些鹽浴處理超過30s的試樣，抗拉強度幾乎保持不變。強度高是由于組織中存在硬化相馬氏體。一些研究認為DP鋼的抗拉強度遵守混合規(guī)律，不過，其他研究認為抗拉強度與馬氏體含量不存在線性關(guān)系。

貝氏體/馬氏體鋼的強度取決于組成相的含量及它們的強度。提高貝氏體體積分數(shù)，將對抗拉強度產(chǎn)生兩個方面的影響：

1）由于馬氏體體積分數(shù)降低而造成抗拉強度下降；

2）隨著馬氏體含量下降，馬氏體相中碳含量增加。

根據(jù)其他人研究結(jié)果，DP鋼強度與化學(xué)成分、相的形貌和相的尺寸以及相變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。DP鋼表現(xiàn)出連續(xù)屈服現(xiàn)象，加工硬化率高，同時屈強比低。本研究鋼在超過30s的鹽浴處理后，抗拉強度和伸長率曲線的分散可能源于組織為上貝氏體和下貝氏體混合組織。在所采用的鹽浴溫度下，認為上、下貝氏體都會存在。

異常的夏比V型沖擊韌性結(jié)果可能由微觀層狀組織和界面特征來解釋。一些試樣（60s、150s、210s）沒有完全被破壞，說明在沖擊試驗時吸收更多能量。板條狀馬氏體/貝氏體組織的低碳鋼，其沖擊韌性與大角度晶界長度成正比，而與板條束和塊的尺寸成反比關(guān)系。另一方面，塑性和韌性改善并不是殘余奧氏體的結(jié)果，而是由于組織中存在細小碳化物顆粒。鹽浴處理90s的試樣被完全破壞。觀察斷口，發(fā)現(xiàn)一些小的分層，說明界面

之間存在某些錯配，比如一些夾雜物沿軋制方向分布，或者在變形的晶粒內(nèi)出現(xiàn)位錯塞積。這可能會引起回火脆性，后者會在400-600℃溫度范圍內(nèi)等溫處理時發(fā)生。對本研究，它是由鋼種特定的夾雜物引起的。

除了碳化物析出外，上貝氏體和下貝氏體的存在也可能造成夏比V型沖擊韌性不同。下貝氏體組織的韌性高，但是很難控制試樣中上貝氏體或下貝氏體含量。同一試樣的不同部位可能出現(xiàn)不同的相。例如，樣品表面比芯部冷卻更快，相變程度更低。

從不同鹽浴處理時間后試樣的臨界壓下率結(jié)果可以看出，尤其是在150-270s的鹽浴處理，含有馬氏體的貝氏體組織提高了材料的塑性。變形提高了馬氏體形核位置（變形帶、位錯塞積位置）和貝氏體形核位置（晶界和亞晶界），使鋼的塑性更好。

鋼的強度-塑性圖給出了總伸長率和抗拉強度之間的關(guān)系（圖6）。試驗結(jié)果落在相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）鋼的區(qū)域。通常，TRIP鋼用于汽車工業(yè)，它具有優(yōu)異的成形性能和高加工硬化率，提高碰撞吸收能量。這些鋼通常含0.1%-0.4%C，還有如Mn和Si等其他合金化元素。

TRIP鋼的組織由鐵素體、貝氏體和亞穩(wěn)殘余奧氏體組成，通過類似于獲得貝氏體/馬氏體組織的兩階段熱處理工藝獲得，因此需要長的熱處理和冷卻時間。

5結(jié)論

通過在773K（500℃）系列鹽浴處理，研究了含0.06%C低合金鋼的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，與直接淬火不同，在奧氏體化后，鹽浴等溫處理150-210s，可以提高鋼的總伸長率和夏比V型沖擊功，同時不會犧牲太多強度或硬度。與直接淬火鋼相比，獲得的

微觀組織顯著提高了沖擊韌性（高達187J）和塑性（臨界壓下率高達71.4%），同時具有高的硬度（239±4HV）和抗拉強度（720-800MPa）。鹽浴處理后晶粒尺寸在10-20μm。采用熱鍛后，由于發(fā)生再結(jié)晶，粗大的鑄態(tài)組織被破碎，變成細小晶粒，同時，夾雜物以纖維形式重新分布，力學(xué)性能將進一步改善。該研究證實了另一種生產(chǎn)汽車用高強度、高塑性鋼的加工工藝的可行性。

后續(xù)工作將包括將鍛模加熱至貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，代替鹽浴處理，研究額外的加工硬化如何影響鋼的力學(xué)性能。同時，也將研究在不同的化學(xué)成分下，鹽浴處理如何影響所獲得鋼的力學(xué)性能；提高C含量，提高硬度；提高Cr、Mn和B含量，提高淬透性，使CCT曲線右移；降低鹽浴處理溫度，獲得更多的下貝氏體組織。 （楊雄飛）