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(cè)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(dá)187J）和塑性（臨界壓下率高達(dá)71.4%），同時(shí)具有高的硬度（239±4HV）和抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(bào)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(duì)多相鋼的研究中，實(shí)現(xiàn)這些組織需要長(zhǎng)時(shí)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(shí)間后，空冷至室溫。為了消除殘余應(yīng)力，促進(jìn)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(shí)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(qiáng)度、更大總伸長(zhǎng)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(qiáng)度，但韌性有限。
2試驗(yàn)材料和試驗(yàn)過程
研究用鋼采用連鑄工藝生產(chǎn)，鋼種牌號(hào)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(qiáng)度和切削性能。其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)是熱鍛后不需要回火處理。室溫下平均抗拉強(qiáng)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(yàn)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(dá)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(yàn)鋼的轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)，利用Gl eebl e 3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)，采用電阻加熱，測(cè)定動(dòng)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(jìn)行連續(xù)冷卻試驗(yàn)。在冷卻過程中，測(cè)量膨脹變化，從而確定轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)。按照與CCT曲線相等的測(cè)試條件測(cè)定時(shí)
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(jìn)行加速冷卻。為了確定等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)，在從623-973K（350-700℃）之間9個(gè)不同溫度點(diǎn)終止冷卻。在等溫保溫過程中，通過膨脹分析測(cè)定轉(zhuǎn)變。
拉伸試驗(yàn)所用試樣為沙漏形，測(cè)量段的圓柱長(zhǎng)36mm、直徑6mm。拉伸試樣及試驗(yàn)過程符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN 10002-1。拉伸試驗(yàn)在MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度0.6mm/min，在室溫下將試樣拉斷。
測(cè)定臨界壓下率的試驗(yàn)用試樣高21mm、直徑14mm，在室溫下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。每次將試樣壓縮0.5mm，直到肉眼觀察到第一根裂紋，此時(shí)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(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，斷面10mm×10mm。硬度用維氏硬度計(jì)InnovaTest測(cè)試，施加載荷10kg。
3結(jié)果
3.1 CCT和TTT曲線
試驗(yàn)鋼的CCT和TTT曲線分別如圖1和圖2所示。同時(shí)，在TTT曲線圖上給出試驗(yàn)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(yàn)材料的淬透性低，由于在冷卻過程中甚至當(dāng)冷卻速率達(dá)到180℃/s時(shí)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(jì)算貝氏體和馬氏體體積分?jǐn)?shù)。
3.2硬度
材料硬度與鹽浴等溫時(shí)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(zhǎng)鹽浴保溫時(shí)間，不會(huì)造成硬度降低。在鹽浴60s后，硬度保持相對(duì)穩(wěn)定在239±4HV。根據(jù)觀察結(jié)果，對(duì)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(duì)每一個(gè)熱處理試樣都進(jìn)行了拉伸性能試驗(yàn)，圖4為拉伸性能隨鹽浴處理時(shí)間的變化。從圖4可以看出，稍微提高貝氏體含量，總伸長(zhǎng)率提高，但同時(shí)抗拉強(qiáng)度降低。100%馬氏體鋼的抗拉強(qiáng)度最高，但總伸長(zhǎng)率卻最低。隨著鹽浴處理時(shí)間的延長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)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(qiáng)度降低了21%。在鹽浴處理270s后，總伸長(zhǎng)率達(dá)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(zhǎng)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(shí)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(shí)間延長(zhǎng)而提高，接著開始下降，隨后在150s達(dá)到峰值，之后又開始下降。當(dāng)?shù)葴貢r(shí)間延長(zhǎng)到150s，夏比沖擊韌性達(dá)到最大。值得提出的是，當(dāng)鹽浴等溫時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，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(shí)間延長(zhǎng)而提高，接著開始下降，隨后在210s達(dá)到最大值71.4%，之后又開始下降。根據(jù)試驗(yàn)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(jìn)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(shí)間的變化在圖3中給出。本研究試驗(yàn)結(jié)果與早期研究不同，早期研究認(rèn)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(rèn)為隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)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(shí)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(shí)間對(duì)任何要發(fā)生的硬度變化而言都是太短了。
拉伸試驗(yàn)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(qiáng)度水平。對(duì)那些鹽浴處理超過30s的試樣，抗拉強(qiáng)度幾乎保持不變。強(qiáng)度高是由于組織中存在硬化相馬氏體。一些研究認(rèn)為DP鋼的抗拉強(qiáng)度遵守混合規(guī)律，不過，其他研究認(rèn)為抗拉強(qiáng)度與馬氏體含量不存在線性關(guān)系。
貝氏體/馬氏體鋼的強(qiáng)度取決于組成相的含量及它們的強(qiáng)度。提高貝氏體體積分?jǐn)?shù)，將對(duì)抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生兩個(gè)方面的影響：
1）由于馬氏體體積分?jǐn)?shù)降低而造成抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(shí)屈強(qiáng)比低。本研究鋼在超過30s的鹽浴處理后，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)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(rèn)為上、下貝氏體都會(huì)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(yàn)時(shí)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(zhǎng)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(xì)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(cuò)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(cuò)塞積。這可能會(huì)引起回火脆性，后者會(huì)在400-600℃溫度范圍內(nèi)等溫處理時(shí)發(fā)生。對(duì)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(shí)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(cuò)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(qiáng)度-塑性圖給出了總伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系（圖6）。試驗(yàn)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(zhǎng)的熱處理和冷卻時(shí)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(zhǎng)率和夏比V型沖擊功，同時(shí)不會(huì)犧牲太多強(qiáng)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(dá)187J）和塑性（臨界壓下率高達(dá)71.4%），同時(shí)具有高的硬度（239±4HV）和抗拉強(qiáng)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(xì)小晶粒，同時(shí)，夾雜物以纖維形式重新分布，力學(xué)性能將進(jìn)一步改善。該研究證實(shí)了另一種生產(chǎn)汽車用高強(qiáng)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(shí)，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）