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摘 要： 摘要: 研究了合金元素 Al 和 Co 添加及等溫淬火工藝對超細貝氏體鋼組織轉變的影響。結果表明: 添加 Al 和 Co 元素能加速超細貝氏體相變，含 Al 和 Co 的試驗鋼在 200 ℃等溫 1 h 超細貝氏體含量約 70% 左右，當等溫 5 h 時，超細貝氏體含量已經 90% ，再延長保溫時間，
摘要: 研究了合金元素 Al 和 Co 添加及等溫淬火工藝對超細貝氏體鋼組織轉變的影響。結果表明: 添加 Al 和 Co 元素能加速超細貝氏體相變，含 Al 和 Co 的試驗鋼在 200 ℃等溫 1 h 超細貝氏體含量約 70% 左右，當等溫 5 h 時，超細貝氏體含量已經 90% ，再延長保溫時間，超細貝氏體含量變化不明顯; 相同保溫時間條件下，隨等溫溫度的升高，超細貝氏體板條束變長，粗化。
關鍵詞: 等溫淬火; 超細貝氏體; 殘留奧氏體; 組織
近年來，Caballero 和 Bhadeshia 等[1-2]研究發現，將高硅高碳低合金鋼在 T = 0. 25Tm ( Tm 為熔點) 的低溫條件下進行長達數天的等溫熱處理后，可獲得納米級的超細貝氏體組織，其由厚度僅為 20 ～ 40 nm 的極薄貝氏體鐵素體板條及其板條間富碳的殘留奧氏體薄膜組成。這種顯微組織結構的鋼具有優異的強韌性匹配，同時具有良好的抗疲勞性和耐磨性[3-5]，有望在汽車零部件中進行應用。但超細貝氏體低溫相變時間過長限制了其發展和應用，許多學者開展了加速超細貝氏體相變的研究工作，其中合金化和熱處理技術是縮短超細貝氏體鋼制備時間的有效方法[6-7]。本文設計一種添加了鋁和鈷的超細貝氏體鋼，并研究等溫淬火工藝對其組織演變的影響規律。
1 試驗材料及方法
試驗鋼采用 25 kg 真空熔煉爐熔煉，化學成分見表 1。鑄錠經過鍛造線切割成 10 mm 的圓柱，在 1000 ℃ 下均勻化處理 12 h 后線切割加工成高度為 15 mm 的圓柱形試樣。試樣經 900 ℃ 保溫 30 min 奧氏體化后快速轉移至鹽浴爐中等溫淬火，鹽浴溫度分別為 200、 250 和 300 ℃，等溫時間為 1、5、10 和 20 h，取出空冷至室溫。試樣經過磨光、拋光后采用 3% 的硝酸酒精腐蝕，在 Leica-DM2500M 型光學顯微鏡和 Zeiss-Sigma 型掃描電鏡下觀察顯微組織。
2 結果與討論
2. 1 Al 和 Co 元素添加對超細貝氏體相變組織的影響
圖 1 為 1 號和 2 號試驗鋼在 200 ℃ 等溫 1 h 的顯微組織。圖 1( a) 中呈黑色、排列成束的較長針狀組織為超細貝氏體，含量約占 40% 左右，灰白色塊狀或者多邊形狀為殘留奧氏體，少量短小的針狀組織為馬氏體，在對應的圖 1( c) 掃描電鏡下觀察更為明顯。添加了 Al 和 Co 元素的 2 號鋼對應的顯微組織如圖 1( b) 所示，黑色針狀超細貝氏體含量顯著增加，約為 70% 。可見，在相同的等溫溫度和時間條件下，在合金中添加適量的 Al 和 Co 元素能增加奧氏體與貝氏體鐵素體兩相的自由能之差，獲得更大的相變驅動力，加速貝氏體相變[8]; 超細貝氏體首先在晶界上形核，向晶內生長，將原奧氏體進行分割。其次，已生成的超細貝氏體相界面為后續相變提供新的形核點，最終超細貝氏體錯綜復雜的將原奧氏體分割，較大塊狀殘留奧氏體分布在超細貝氏體板條束間。文獻[9]報道超細貝氏體板條束是由貝氏體鐵素體板條和薄膜狀殘留奧氏體構成。
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2. 2 等溫時間對顯微組織的影響
圖 2 為 2 號試驗鋼在 200 ℃ 下分別等溫 1、5、10、 20 h 后的掃描顯微組織。比較圖 2 中的組織照片發現，等溫 1 h 時超細貝氏體含量約 70% ，當等溫 5 h 時，超細貝氏體含量已經 90%以上，即使保溫 10 h、20 h 超細貝氏體含量基本沒有變化。超細貝氏體相變依賴于碳在奧氏體中的擴散[10]。相變初期，碳在奧氏體中擴散速度快，形成貧碳區與富碳區，貧碳區的奧氏體發生超細貝氏體相變，進一步向周邊殘留奧氏體中排碳; 在貝氏體相變后期，隨著碳向奧氏體富集，殘留奧氏體中的碳含量不斷增加，奧氏體的穩定性增加，貝氏體相變很難發生。所以隨著時間延長，超細貝氏體的含量沒有顯著變化，趨于穩定。
2. 3 等溫溫度對顯微組織的影響
圖 3 為 2 號試樣分別在 200、250、300 ℃下等溫 5 h 后的室溫 SEM 組織。可以發現隨著等溫溫度的升高，超細貝氏體板條變長，并且粗化。試樣在 200 ℃ 等溫淬火時溫度較低、過冷度大，奧氏體向超細貝氏體相變驅動力較大，臨界形核半徑小，所以形成的超細貝氏體板條平直、細小。由于低溫時碳原子在奧氏體中的自擴散系數較小，先形成的超細貝氏體很難通過 α /γ 界面向周邊殘留奧氏體中排碳，殘留奧氏體中碳 含 量 不 高，穩 定 性 差，易于向超細貝氏體轉變[11]。隨著等溫溫度升高，碳原子擴散能力增強，奧氏體向超細貝氏體轉變的孕育期變短，相變速度加快; 超細貝氏體向殘留奧氏體排碳時碳原子在躍遷時所需用于克服晶格中的勢壘的能量降低，使得殘留奧氏體中碳含量顯著增加，富碳的殘留奧氏體呈較大的塊狀和多邊形狀穩定存在于基體中[12-13]，與圖 3( c) 中形貌吻合。
3 結論
1) 鋁和鈷元素的添加能增大相變驅動力，提高貝氏體的生長速度，使貝氏體相變加速，超細貝氏體板條細化。
2) 在 200 ℃ 等溫時，隨著等溫時間的增加，貝氏體鐵素體含量先快速增加，后緩慢增加，最終組織中超細貝氏體含量趨于穩定。
3) 在同一等溫時間 5 h 下，隨著等溫溫度的升高，貝氏體鐵素體變長，粗化; 溫度越高，殘留奧氏體越容易呈較大塊狀和多邊形狀穩定存在。——論文作者：齊 亮1 ，郝齊齊1 ，楊東彪1，2 ，馮興宇1 ，謝建明1
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