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低碳馬氏體鋼具有硬度高、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，廣 泛用于機(jī)加工刀具、高檔軍用刀具、錘頭、襯板以及 工程機(jī)械箱壁板等高耐磨產(chǎn)品。隨著技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的服役工況愈發(fā)惡劣，對(duì)材料性能的要求不斷提高，高耐磨、低成本馬氏體鋼的開(kāi)發(fā)受到關(guān)注。然而，成分設(shè)計(jì)優(yōu)化、工藝調(diào)控等方法在提升低碳馬氏體鋼強(qiáng)度、硬度和耐磨性的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其塑性和韌性的下降，如何兼顧低碳馬氏體鋼的強(qiáng)度和塑韌性是目前亟待解決的問(wèn)題。

 

大量研究表明，基于固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)制，添加硅、錳、鉻、釩、鎳、鎢及鈦 等合金元素可以有效改善合金的顯微組織及強(qiáng)韌性。然而對(duì)于低碳馬氏體鋼，當(dāng)晶粒尺寸細(xì)化到2~3μm后，很難再進(jìn)一步細(xì)化晶粒尺寸，細(xì)晶強(qiáng)化效果難以繼續(xù)提高；此外，置換固溶強(qiáng)化的效率較低，位錯(cuò)強(qiáng)化、間隙固溶強(qiáng)化對(duì)塑韌性損害較大。目前，研究人員更多關(guān)注軋制及熱處理工藝對(duì)低碳馬氏體鋼顯微組織調(diào)控的作用，通過(guò)獲得單一馬氏體相結(jié)構(gòu)或馬氏體-鐵素體、馬氏體-貝氏體雙相組織來(lái)達(dá)到增強(qiáng)增韌的目的。適量增加較軟的鐵  素體相可以有效提升鋼的塑韌性，但硬度和強(qiáng)度也會(huì)隨之降低；在較軟的基體上分布較硬的第二相顆粒有望解決軟相比例過(guò)高導(dǎo)致的強(qiáng)度和硬度下降問(wèn)題。為此，作者制備了鈦、鈮和鉬等元素?fù)诫s的微合金化低碳馬氏體鋼，并進(jìn)行熱軋+淬火+回火處理，研究了不同熱處理態(tài)試驗(yàn)鋼的顯微組織、物相組成、拉伸性能和沖擊性能，分析了其強(qiáng)韌化機(jī)制，以期為高性能低碳馬氏體鋼的推廣應(yīng)用提供材料和制備技術(shù)基礎(chǔ)。

 

1、試樣制備與試驗(yàn)方法

 

根據(jù)各合金元素在馬氏體鋼中的作用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)成分如表1所示的低碳馬氏體鋼，其中鈦、鈮、鉬為碳化物形成元素，能形成納米級(jí)碳化物來(lái)增強(qiáng)基體。按照設(shè)計(jì)成分配料，在ZGJL0.05?100.2.5D型中頻真空感應(yīng)爐中熔煉并澆注成鑄錠。將鑄錠在1050℃下鍛造成12mm厚的板坯，隨后在KSL-1400X型箱式爐中進(jìn)行1250℃×2h的均勻化熱處理。采用240-70X500型四輥軋機(jī)進(jìn)行軋制，采用兩階段控軋，粗軋開(kāi)軋和終軋溫度分別為1120，1020℃,精軋開(kāi)軋和終軋溫度分別為920，870℃，熱軋后常規(guī)層流冷卻至600℃后空冷至室溫。沿軋制方向切取尺寸為150mm×12mm×12mm的試樣， 在GSL-1600X型管式爐中加熱至880℃保溫20min水淬，隨后分別在170，190，210，230，250 ℃下保溫30min回火，空冷至室溫。

 

表1　低碳馬氏體鋼的化學(xué)成分

在回火態(tài)鋼上垂直于軋制方向切取截面尺寸為15mm×10mm的試樣，經(jīng)水磨粗砂紙和金相細(xì)砂紙打磨，拋光后，用體積分?jǐn)?shù)3%的硝酸乙醇溶液腐 蝕，采用ZEISS AXIO Imager Alm型光學(xué)顯微鏡和PHILIP-XL30型掃描電鏡（SEM）觀察顯微組織，采用image J軟件統(tǒng)計(jì)各相面積分?jǐn)?shù)。采用SmartLab型X射線衍射儀（XRD）進(jìn)行物相分析，銅靶，Kα射線，加速電壓為40kV，掃描范圍為10°~100°，掃描速率為2 ( ° )·min−1。制取薄片試樣，用砂紙逐級(jí)磨 至厚度為50~60μm以下，用沖樣機(jī)沖剪成直徑為3mm的圓形薄片，再進(jìn)行離子減薄，采用JEM-2100型透射電子顯微鏡（TEM）觀察析出相形貌和分布。采用Oxford INCA型能譜儀（EDS）分析微區(qū)成分。 采用Sigma型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡的電子背散射衍射（EBSD）模式分析晶界取向并采用Channel 5軟件繪制分布圖。

 

采用R574型洛氏硬度計(jì)測(cè)試硬度，初載荷與總載荷分別98，1470N，保載時(shí)間為15s，在試樣上下表面、1/4厚度處和心部各測(cè)5點(diǎn)取平均值。根據(jù)GB/T228.1—2010，制取標(biāo)距尺寸為φ5mm×25mm的棒狀試樣，采用CMT-4015型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1mm·min − 1。根據(jù)GB/T229—2020，制取尺寸為10mm×10mm×55mm的試樣，采用V-Charpy型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為−40℃。拉伸試驗(yàn)與沖擊試驗(yàn)均測(cè)3個(gè)試樣取平均值。采用SEM觀察拉伸斷口和沖擊斷口形貌。

 

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

 

2.1    顯微組織和物相組成

 

由圖1可見(jiàn)：熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼由鐵素體和貝氏體組成，鐵素體面積分?jǐn)?shù)為 20%~25%；淬火態(tài)試驗(yàn)鋼由鐵素體和馬氏體組成，鐵素體面積分?jǐn)?shù)為18%~22%；不同溫度回火態(tài)試驗(yàn)鋼均由回火馬氏體和少量鐵素體組成，鐵素體面積分?jǐn)?shù)為15%~20%，回火溫度對(duì)鐵素體面積分?jǐn)?shù)的影響較小。試驗(yàn)鋼中少量鐵素體的存在可以改善其整體協(xié)調(diào)變形的能力，緩解應(yīng)力集中，有利于提高低溫韌性，但當(dāng)含量過(guò)多時(shí)，鐵素體通常呈大塊不規(guī)則形貌，且分布也不均勻，在其曲率較小的尖角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)受到?jīng)_擊時(shí)易萌生微裂紋，導(dǎo)致材料整體韌性下降。

 

圖 1 熱軋態(tài)、淬火態(tài)和不同溫度回火態(tài)試驗(yàn)鋼的顯微組織

 

由圖2可見(jiàn)：淬火態(tài)和不同溫度回火態(tài)試驗(yàn)鋼均由α-Fe（馬氏體和鐵素體）和少量M3C相組成， 回火態(tài)試驗(yàn)鋼的α-Fe的衍射峰半高寬小于淬火態(tài)試驗(yàn)鋼，這說(shuō)明回火態(tài)試驗(yàn)鋼的位錯(cuò)密度小于淬火態(tài)試驗(yàn)鋼；隨著回火溫度升高，α-Fe的衍射峰半高寬減小，說(shuō)明位錯(cuò)密度隨回火溫度升高而減小。

 

圖2　淬火態(tài)和不同溫度回火態(tài)試驗(yàn)鋼的 XRD 譜

 

2.2    力學(xué)性能

 

由圖3可知，隨著回火溫度升高，回火態(tài)試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和布氏硬度下降，斷后伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度和沖擊吸收功均先增大后減小。結(jié)合表2可知，淬火態(tài)試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和布氏硬度最高。這是因?yàn)榇慊饝B(tài)試驗(yàn)鋼中的馬氏體主要為板條結(jié)構(gòu)且具有高密度位錯(cuò)，而且其中的過(guò)飽和碳原子間隙固溶引起的強(qiáng)烈點(diǎn)陣畸變會(huì)形成以碳原子為中心的應(yīng)力場(chǎng)，這個(gè)應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)發(fā)生交互作用，使碳原子釘扎位錯(cuò)， 從而顯著強(qiáng)化馬氏體組織，因此淬火態(tài)試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和硬度較高?；鼗疬^(guò)程伴隨著碳原子擴(kuò)散，回火態(tài)馬氏體中碳含量降低，碳的固溶強(qiáng)化作用減弱，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和硬度降低。隨著回火溫度升高，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，基體中過(guò)飽和碳的活力增強(qiáng)，促使?jié)B碳體在馬氏體中形核并長(zhǎng)大，基體中碳的固溶強(qiáng)化作用減弱，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和硬度降低；此外，隨著回火溫度升高試驗(yàn)鋼發(fā)生回復(fù)，位錯(cuò)密度減小，其強(qiáng)度和硬度進(jìn)一步降低。

 

圖 3　試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能隨回火溫度的變化曲線

 

表2　熱軋態(tài)和淬火態(tài)試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

隨回火溫度升高，馬氏體中碳的固溶強(qiáng)化作用減弱，試驗(yàn)鋼的塑韌性增強(qiáng)，當(dāng)回火溫度為190 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率和沖擊吸收功最高，分別為14%，50J；隨著回火溫度進(jìn)一步升高，馬氏體基體中析出硬而脆的M3C，導(dǎo)致斷后伸長(zhǎng)率和沖擊吸收功降低，鋼的塑韌性降低。190℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度、布氏硬度和屈服強(qiáng)度也比較適中，分別為1759MPa， 503HB，1395MPa，綜合力學(xué)性能最好。190℃回火后試驗(yàn)鋼的強(qiáng)韌性比傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼、二次硬化鋼和中碳低合金鋼的更優(yōu)，也稍優(yōu)于部分國(guó)外高級(jí)別低合金馬氏體鋼。

 

由圖4可知：熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼拉伸斷口以均勻的韌窩為主，呈典型韌性斷裂；淬火態(tài)和回火態(tài)試驗(yàn)鋼拉伸斷口均呈杯錐狀，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇3 個(gè)區(qū)域組成，其中纖維區(qū)占比較大，說(shuō)明發(fā)生了較大的塑性變形，是典型的韌塑斷口，而且纖維區(qū)分布著許多形狀尺寸不一的韌窩，縮頸中心的斷裂屬微孔聚集型斷裂；隨著回火溫度升高至190 ℃，拉伸斷口處韌窩占比增加，分布更加均勻，但繼續(xù)提高回火溫度后，韌窩占比和分布均勻性降低。

 

圖 4　熱軋態(tài)、淬火態(tài)和不同溫度回火態(tài)試驗(yàn)鋼的拉伸斷口形貌

 

由圖5可見(jiàn)：熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼沖擊斷口以準(zhǔn)解理特征和韌窩為主，為混合斷裂模式；淬火態(tài)及回火態(tài)試驗(yàn)鋼中心斷裂區(qū)屬微孔聚集型斷裂，纖維區(qū)分布著許多形狀尺寸不一的韌窩；隨著回火溫度升高至190 ℃，斷口處韌窩占比及深度提高，但繼續(xù)提高回火溫度，斷口處出現(xiàn)不同程度的準(zhǔn)解理面，韌窩占比及深度下降。

 

圖 5　熱軋態(tài)、淬火態(tài)和不同溫度回火態(tài)試驗(yàn)鋼的沖擊斷口形貌

 

2.3   強(qiáng)韌化機(jī)制

 

根據(jù)上述結(jié)果，選擇190℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼為研究對(duì)象，進(jìn)一步分析強(qiáng)韌化機(jī)制。由圖6可知：190 ℃ 回火態(tài)試驗(yàn)鋼基體由板條馬氏體和少量的鐵素體組成，細(xì)小的馬氏體板條（寬度約為100 nm）相向排列，局部區(qū)域有高密度位錯(cuò)；這種細(xì)小的馬氏體板條能提高鋼材的強(qiáng)度和硬度，改善其韌性?；w中主要出現(xiàn)兩類析出相，第一類析出相尺寸小于10nm，數(shù)量多，隨機(jī)分布在馬氏體中，少量分布在鐵素體中，分布較彌散，起到沉淀強(qiáng)化作用，可以提高試驗(yàn)鋼整體強(qiáng)度及硬度；第二類析出相尺寸在50~70 nm，多分布于馬氏體板條界面、馬氏體與鐵素體界面以及晶界等位置，通常在試驗(yàn)鋼冷卻過(guò)程中優(yōu)先析出，并能在一定程度上阻礙晶界、亞晶界及相界遷移，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用，從而提高試驗(yàn)鋼強(qiáng)度及塑韌性。根據(jù)EDS分析結(jié)果，兩類析出相均為（Ti， Nb，Mo，Cr）C，大尺寸析出相中鉻含量較高，小尺寸析出相中鈦、鉬元素含量較高，此外還有少量的短棒狀Fe3C在回火過(guò)程中析出。

 

圖 6 190 ℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼的 TEM 形貌

 

為進(jìn)一步闡明析出相對(duì)試驗(yàn)鋼強(qiáng)度的提升作 用，以屈服強(qiáng)度為例，基于相關(guān)模型與試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)  比淬火態(tài)和190 ℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼中不同因子產(chǎn)生的強(qiáng)化增量。一般情況下，屈服強(qiáng)度σ計(jì)算公式如下：

 

式中：σ0為移動(dòng)單個(gè)位錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生的晶格摩擦阻力， 即派納力，鋼鐵材料一般為48MPa；σs為固溶強(qiáng)化  增量；KM與m均為與溶質(zhì)原子相關(guān)的系數(shù)；M為溶  質(zhì)原子的物質(zhì)的量濃度；σGB為細(xì)晶強(qiáng)化增量；KHP為與晶體類型及晶粒尺寸相關(guān)的系數(shù)；D為平均晶粒尺寸；σP為第二相強(qiáng)化增量；f為第二相平均間距；d為第二相平均尺寸；σDIS為形變強(qiáng)化增量；T為泰勒因子，取3.06；ν為泊松比；G為剪切模量；b為柏氏矢量；ρ為位錯(cuò)密度。

 

由式（1）~（5）計(jì)算得到的屈服強(qiáng)度及各因子 產(chǎn)生的強(qiáng)化增量見(jiàn)圖7，為進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)測(cè)得的屈 服強(qiáng)度也列于圖7。由圖7可見(jiàn)：屈服強(qiáng)度計(jì)算值和試驗(yàn)值基本相同，說(shuō)明計(jì)算公式較準(zhǔn)確；淬火態(tài)和190℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼中由納米級(jí)析出相產(chǎn)生的第二相強(qiáng)化增量和大尺寸析出相產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化增量的占比較大，即沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用顯著；相比淬火態(tài)試驗(yàn)鋼，190℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼的固溶強(qiáng)化增量較小，這是回火過(guò)程中碳原子逐漸從馬氏體中脫溶導(dǎo)致的，第二相強(qiáng)化增量和細(xì)晶強(qiáng)化增量因回火溫度較低無(wú)明顯變化，形變強(qiáng)化增量較小，這是因?yàn)榛鼗鹪斐苫w中位錯(cuò)密度減小。

 

圖 7　淬火態(tài)和 190 ℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度及不同因子產(chǎn)生的強(qiáng)化增量

 

由圖8可知，190℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼基體中晶界取向差大于15°的大角度晶界占比較多。一般認(rèn)為大角度晶界為有效晶界，可以改變裂紋擴(kuò)展方向，若晶界取向差大于35° , 還可使裂紋發(fā)生純化，抑制裂紋擴(kuò)展；大角度晶界可以提高材料的斷裂強(qiáng)度和低溫韌性。晶界取向差小于15°的小角度晶界對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用不大。當(dāng)大角度晶界占比較多時(shí)，可以頻繁地改變裂紋擴(kuò)展方向，提高材料的裂紋擴(kuò)展功，從而提高其韌性。

 

圖 8 190 ℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼的EBSD圖像和晶界取向差占比

 

沖擊吸收功由裂紋形成功與裂紋擴(kuò)展功兩部分組成：裂紋形成功與晶粒尺寸和晶內(nèi)位錯(cuò)塞積數(shù)量有關(guān)，塞積端頭應(yīng)力集中程度越高，解理斷裂的概率越大；裂紋擴(kuò)展功由奧氏體晶粒尺寸、板條束或板條塊尺寸等解理控制單元決定。由圖9可知：試驗(yàn)鋼在沖擊試驗(yàn)過(guò)程中依次經(jīng)歷了彈性階段、塑性屈服階段、載荷峰值階段及載荷下降等過(guò)程，當(dāng)達(dá)到載荷峰值后試驗(yàn)鋼開(kāi)始萌生微裂紋，導(dǎo)致載荷下降，隨后裂紋進(jìn)入擴(kuò)展階段。載荷-位移曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積代表裂紋形成功或擴(kuò)展功，計(jì)算得到的裂紋擴(kuò)展功遠(yuǎn)大于裂紋形成功，這說(shuō)明190℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼在沖擊過(guò)程中較容易產(chǎn)生微裂紋，但裂紋擴(kuò)展較難，屬延性材料。

 

圖 9 190 ℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼的載荷-位移曲線和沖擊吸收功-位移曲線

 

3、結(jié)  論

 

（1）熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼由鐵素體和貝氏體組成，淬火 態(tài)試驗(yàn)鋼由鐵素體和馬氏體組成，不同溫度回火態(tài)試驗(yàn)鋼則均由回火馬氏體和少量鐵素體組成，回火態(tài)試驗(yàn)鋼的鐵素體面積分?jǐn)?shù)在15%~20%，高于其他兩種熱處理態(tài)試驗(yàn)鋼；回火溫度對(duì)鐵素體面積分?jǐn)?shù)的影響較小。淬火態(tài)和不同溫度回火態(tài)試驗(yàn)鋼均由α-Fe和M3C相組成，相比淬火態(tài)試驗(yàn)鋼，回火態(tài)試驗(yàn)鋼的α-Fe衍射峰半高寬較小，說(shuō)明位錯(cuò)密度較??；隨著回火溫度升高，α-Fe衍射峰半高寬減小，即位錯(cuò)密度減小。

 

（2）淬火態(tài)試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和布氏硬度最高； 隨著回火溫度升高，回火態(tài)試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和布氏硬度下降，斷后伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度和沖擊吸收功均先增大后減?。?90℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼的綜合力學(xué)性能最好，斷后伸長(zhǎng)率和沖擊吸收功最高，分別為14%，50J，抗拉強(qiáng)度、布氏硬度和屈服強(qiáng)度適中，分別為1759MPa，503HB，1395MPa；隨著回火溫度升高，拉伸斷口和沖擊斷口處纖維區(qū)中韌窩占比先提高后降低，當(dāng)回火溫度為190 ℃時(shí)最高，說(shuō)明韌塑性最好。

 

（3）190℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼中析出了較小和較大尺寸的（Ti，Nb，Mo，Cr）C納米級(jí)相，小尺寸析出相起到沉淀強(qiáng)化作用，提高試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和硬度，大尺寸析出相起到細(xì)晶強(qiáng)化作用，同時(shí)提高試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和韌性；190℃回火態(tài)試驗(yàn)鋼中晶界取向差大于15°的大角度晶界占比較多，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展功較高，這是該鋼韌性較好的重要原因。

 

作者：

 

闕燚彬1，毛丹丹1，李宏軍1，樓華山1，莫文鋒1，馮  藝1，龍  旺2，朱恩洲1

 

工作單位：

 

1. 柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，

 

2. 柳州一陽(yáng)科技股份有限公司

 

來(lái)源：《機(jī)械工程材料》2024年6期