分享：40Cr钢等温淬火形成的下贝氏体组织形貌特征

陈洁明1,李雪峰1,2,王 刚3,潘恒沛1,张先锋1 

(1.中国船舶重工集团公司 第七二五研究所,洛阳 471023; 2.河南省船舶及海工装备结构材料技术与应用重点实验室,洛阳 471023; 3.洛阳双瑞万基钛业有限公司,洛阳 471000) 

摘 要:利用光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射及透射电镜观察了40Cr钢等温淬火形成 的下贝氏体组织形貌,并分析了下贝氏体与马氏体、回火索氏体的差异。结果表明:下贝氏体组织 形貌与马氏体、回火索氏体均有明显差异,且下贝氏体的硬度高于回火索氏体;下贝氏体针状组织 密集排列成束,方向感强,侵蚀后呈彩色,组织内部细密的碳化物沉淀在铁素体板条上,碳化物排列 整齐,且与铁素体长轴夹角呈60°。 

关键词:40Cr钢;等温淬火;下贝氏体;碳化物 中图分类号:TB31;TG115.12 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)11-0006-05

40Cr钢是一种中碳低合金高强钢,具有良好的 淬透性,优良的机械加工性能,较好的氮化、高频等 表面热处理性能和可焊性,经调质处理后具有优异 的综合力学性能、低温冲击韧性和较低的缺口敏感 性,广泛应用于中等或较高负荷、中等转速的机械零 件制造中,是轴类、连杆、齿轮、紧固件等零件的常用 原材料,也可用作冷镦模具钢。40Cr钢是使用最多 的钢种之一,价格较低、性价比较高,是机械制造行 业不可或缺的金属材料。 40Cr钢常用的热处理工艺是淬火+高温回火 调质处理,调 质 处 理 中 的 裂 纹 和 变 形 缺 陷 会 引 起 工件报废。近些年来,不同钢种贝氏体的转变、性 能研究受到了广泛关注[1-3],尤其是中碳低合金钢 的贝氏体 化 研 究。研 究 表 明,马 氏 体 与 少 量 下 贝 氏体的复相组织可以在不明显降低材料强度的条 件下,改善材料的韧性[4-5]。等温淬火处理可获得 以下贝氏体 为 主 的 显 微 组 织,虽 然 材 料 的 强 度 略 有下降,但是韧性却有较大的提高,同时等温淬火 处理还可以有效降低工件的变形量,是结构复杂、 薄壁零件的理想热处理工艺,例如一些40Cr钢零 件便是采用等温淬火工艺来获得以下贝氏体为主 的显微组织[6-7] ;但下贝氏体的形貌特征与上贝氏 体、回火索 氏 体 非 常 相 近,难 以 辨 认,给 金 相 检 验 工作带来了一定的困难。笔者对经不同热处理工 艺后的40Cr钢显微组织进行了分析,阐述了下贝 氏体的形貌 特 征,以 明 确 下 贝 氏 体 与 其 他 组 织 的 不同之处,从 而 为 增 强 下 贝 氏 体 显 微 组 织 形 貌 的 辨认提供理论基础。

1 试验设备及材料

1.1 试验设备 

采用 Agilent5110SVDV 型电感耦合等离子体 发射光谱仪和 CS800碳硫分析仪进行化学成分分 析,采用 OLYMPUSGX71型光学显微镜、Thermo ScientificScios2型扫描电镜(SEM)和JM200型透 射电子显微镜(TEM)进行微观分析,采用 VH3300 型显微硬度计进行硬度测试。

1.2 试验材料 

40Cr钢的化学成分分析结果如表1所示,可见 40Cr钢的化学成分满足 GB/T3077—2015 《合金 结构钢》的要求。 40Cr 钢 的 下 贝 氏 体 转 变 温 度 为 330 ~ 360 ℃ [3]。取40Cr钢棒料2根,分别编号为1 # 和 2 # ,直径均为20 mm,长度均为100 mm。1 # 试样 的热处理工艺为等温淬火处理,加热温度为(850± 10)℃,保 温 时 间 为 60 min,防 脱 碳 保 护,(340± 10)℃盐浴等温30 min后空冷,(200±10)℃回火 60min。2 # 试样的热处理工艺为调质处理,加热温 度为(850±10)℃,保温时间为60 min,防脱碳保 护,出炉油冷,(520±10)℃回火60min。

2 试验结果

2.1 金相检验

在1 # ,2 # 试样上截取长度为20 mm 的试样, 将试样的截面磨削、抛光后,用4%(体积分数)硝 酸乙醇溶液侵蚀,然后进行金相检验,1 # ,2 # 试样 的显微组织形貌如图1所示。由图1 可 知:1 # 试 样的显微组织主要为下贝氏体+马氏体+上贝氏 体+残余奥氏体,组织有明显的色彩,针状特征明 显,多条针 状 组 织 密 集 排 列 成 束,方 向 感 强 烈,图 1a)中蓝色块状区域为少量的上贝氏体,白色区域 为少量的残 余 奥 氏 体,黄 褐 色 短 针 状 组 织 为 马 氏 体,其余大部分黑蓝色针状组织为下贝氏体;2 # 试 样的显微组 织 为 回 火 索 氏 体 + 少 量 残 余 奥 氏 体, 试样整体呈灰色,虽然大部分区域也呈板条状,但 针状特征和方向感不明显。

2.2 SEM 分析

将1 # ,2 # 试样侵蚀后进行 SEM 分析,结果如 图2所示。由图2可知:1 # 试样主要为针状贝氏体 +铁素体+部分板条马氏体,铁素体上有条状碳化 物分布,碳 化 物 排 列 方 向 与 铁 素 体 长 轴 夹 角 约 为 60°,且大多在原奥氏体晶界形核长大,而马氏体中 大多是板条状碳化物,方向感明显;2 # 试样组织中 的碳化物经过回火处理,扩散较充分,组织中有较多 弥散分布的颗粒状碳化物,碳化物取向特征不如1 # 试样明显。 

2.3 TEM 分析 

在1 # ,2 # 试样上分别取1 mm 厚的薄片进行 TEM 分析,结果 如 图 3,4 所 示。由 图 3,4 可 知: 1 # 试样大部分区域为下贝氏体,形貌特征为成排 的板条铁素 体 上 分 布 着 长 条 状 碳 化 物,碳 化 物 排 列方向与铁素体长轴的夹角约呈60°,还有少量马 氏体+残余奥氏体;2 # 试样为板条铁素体上弥散 分布着颗 粒 状 碳 化 物。1 # ,2 # 试 样 的 TEM 形 貌 有较大的差异。

2.4 电子背散射衍射(EBSD)分析

对 1 # ,2 # 试 样 进 行 EBSD 分 析,结 果 分 别 如 图5,6所示,其中1 # 试样中残余奥氏体和上贝氏 体很少,未 能 有 效 检 出,可 以 忽 略 不 计。图 5a), 5b)分别为1 # 试样的晶粒取向分布和衍射花样质 量,可见马氏 体 的 碳 过 饱 和 度 较 高 及 晶 格 畸 变 较 大,EBSD衍射花样质 量 较 差,在 衍 射 花 样 质 量 图 中趋近于灰黑色,而下贝氏体呈偏灰白色。将1 # 试样马氏体 和 下 贝 氏 体 的 灰 度 进 行 统 计,以 确 定 1 # 试样的灰度临界值[8],经软件进 行 处 理 后 得 到 1 # 试样的衍射花样质量统计图[(见图5c)],可得 1 # 试样中下贝氏体含量约为88.1%,马氏体含量 约为11.9%。对比图5和图6可知,1 # 试样的组 织有明 显 的 针 状 特 征,两 端 较 为 尖 锐,方 向 感 强 烈,而2 # 试样组织的针状特征不如1 # 试样明显, 两端圆钝,方向感较差。

2.5 显微硬度测试 

依据 GB/T4340.1—2009《金属材料 维氏硬度 试验 第1部分:试验方法》,分别对1 # ,2 # 试样进行 显微硬度测试,结果如表2所示,可以看出1 # 试样 的硬度明显高于2 # 试样

3 综合分析 40Cr钢常用的热处理工艺为调质处理,显微组 织是较为熟悉的回火索氏体。40Cr钢的等温淬火 工艺应用相对较少,因此,经该工艺处理后产生的下 贝氏体形貌特征较为陌生。由金相检验结果可知, 下贝氏体和回火索氏体的显微组织形貌非常相似, 但是下贝氏体侵蚀后有明显的色彩效果和较明显的 针状特 征,且 针 状 组 织 密 集 排 列 成 束,方 向 感 强 烈[9-11]。由 TEM 分析结果可知,下贝氏体与回火索 氏体的基体都呈板条状,但是碳化物的分布是有明 显区别的,下贝氏体碳化物分布与铁素体板条长轴 的夹角呈60°,而回火索氏体的碳化物是弥散分布 的。由硬度测试结果可知,下贝氏体的硬度明显高 于回火索氏体。 下贝氏体和板条马氏体的晶体学特征具有相似 性[12],中低合金钢的板条马氏体间、板条马氏体与 奥氏体间的位向关系同下贝氏体的位向完全相同, 且二者组织形貌相似,组织辨别困难。虽然下贝氏 体与马氏体有着晶体学的相似性,但二者有不同的 相变过程,下贝氏体的转变温度比马氏体高,马氏体 从高温冷却到低温时是切变形成,无扩散性,属于含 碳的过饱和固溶体;而下贝氏体形成过程伴随着碳元素的扩散,会发生碳化物沉淀,属于铁素体和碳化 物组成的混合物。下贝氏体的显微组织呈针状,马 氏体的显微组织呈板条状,二者碳化物分布不一样, 下贝氏体的碳化物分布与铁素体板条长轴夹角呈 60°,而马 氏 体 是 碳 的 过 饱 和 固 溶 体,没 有 碳 化 物 析出。

4 结语

40Cr钢经等温淬火后产生的下贝氏体组织有较 明显的色彩效果和针状特征,细针状组织密集排列, 方向感强烈。下贝氏体的 TEM 形貌特征为条状铁 素体上沉淀有细密的长条状碳化物,排列整齐,与铁 素体长轴的夹角呈60°。下贝氏体的硬度明显高于回 火索氏体。40Cr钢的等温淬火组织中下贝氏体含量 较多,约为88.1%,马氏体含量约为11.9%。

来源：材料与测试网