40Cr鋼等溫淬火形成的下貝氏體組織形貌特征

陳潔明,李雪峰,2,王 剛,潘恒沛,張先鋒

(1.中國船舶重工集團公司 第七二五研究所,洛陽 471023；2.河南省船舶及海工裝備結構材料技術與應用重點實驗室,洛陽 471023；3.洛陽雙瑞萬基鈦業有限公司,洛陽 471000)

40Cr鋼是一種中碳低合金高強鋼，具有良好的淬透性，優良的機械加工性能，較好的氮化、高頻等表面熱處理性能和可焊性，經調質處理后具有優異的綜合力學性能、低溫沖擊韌性和較低的缺口敏感性，廣泛應用于中等或較高負荷、中等轉速的機械零件制造中，是軸類、連桿、齒輪、緊固件等零件的常用原材料，也可用作冷鐓模具鋼。40Cr鋼是使用最多的鋼種之一，價格較低、性價比較高，是機械制造行業不可或缺的金屬材料。

40Cr鋼常用的熱處理工藝是淬火+高溫回火調質處理，調質處理中的裂紋和變形缺陷會引起工件報廢。近些年來，不同鋼種貝氏體的轉變、性能研究受到了廣泛關注[1-3]，尤其是中碳低合金鋼的貝氏體化研究。研究表明，馬氏體與少量下貝氏體的復相組織可以在不明顯降低材料強度的條件下，改善材料的韌性[4-5]。等溫淬火處理可獲得以下貝氏體為主的顯微組織，雖然材料的強度略有下降，但是韌性卻有較大的提高，同時等溫淬火處理還可以有效降低工件的變形量，是結構復雜、薄壁零件的理想熱處理工藝，例如一些40Cr鋼零件便是采用等溫淬火工藝來獲得以下貝氏體為主的顯微組織[6-7];但下貝氏體的形貌特征與上貝氏體、回火索氏體非常相近，難以辨認，給金相檢驗工作帶來了一定的困難。筆者對經不同熱處理工藝后的40Cr鋼顯微組織進行了分析，闡述了下貝氏體的形貌特征，以明確下貝氏體與其他組織的不同之處，從而為增強下貝氏體顯微組織形貌的辨認提供理論基礎。

1 試驗設備及材料

1.1 試驗設備

采用Agilent 5110SVDV型電感耦合等離子體發射光譜儀和CS800碳硫分析儀進行化學成分分析，采用OLYMPUS GX71型光學顯微鏡、Thermo Scientific Scios 2型掃描電鏡(SEM)和JM200型透射電子顯微鏡(TEM)進行微觀分析，采用VH3300型顯微硬度計進行硬度測試。

1.2 試驗材料

40Cr鋼的化學成分分析結果如表1所示，可見40Cr鋼的化學成分滿足GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》的要求。

40Cr鋼的下貝氏體轉變溫度為330～360 ℃[3]。取40Cr鋼棒料2根，分別編號為1#和2#，直徑均為20 mm，長度均為100 mm。1#試樣的熱處理工藝為等溫淬火處理，加熱溫度為(850±10) ℃，保溫時間為60 min，防脫碳保護，(340±10) ℃鹽浴等溫30 min后空冷，(200±10)℃回火60 min。2#試樣的熱處理工藝為調質處理，加熱溫度為(850±10) ℃，保溫時間為60 min，防脫碳保護，出爐油冷，(520±10) ℃回火60 min。

表1 40Cr鋼的化學成分分析結果 %

2 試驗結果

2.1 金相檢驗

在1#，2#試樣上截取長度為20 mm的試樣，將試樣的截面磨削、拋光后，用4%(體積分數)硝酸乙醇溶液侵蝕，然后進行金相檢驗，1#，2#試樣的顯微組織形貌如圖1所示。由圖1可知：1#試樣的顯微組織主要為下貝氏體+馬氏體+上貝氏體+殘余奧氏體，組織有明顯的色彩，針狀特征明顯，多條針狀組織密集排列成束，方向感強烈，圖1a)中藍色塊狀區域為少量的上貝氏體，白色區域為少量的殘余奧氏體，黃褐色短針狀組織為馬氏體，其余大部分黑藍色針狀組織為下貝氏體；2#試樣的顯微組織為回火索氏體+少量殘余奧氏體，試樣整體呈灰色，雖然大部分區域也呈板條狀，但針狀特征和方向感不明顯。

圖1 1#，2#試樣的顯微組織形貌

2.2 SEM分析

將1#，2#試樣侵蝕后進行SEM分析，結果如圖2所示。由圖2可知：1#試樣主要為針狀貝氏體+鐵素體+部分板條馬氏體，鐵素體上有條狀碳化物分布，碳化物排列方向與鐵素體長軸夾角約為60°，且大多在原奧氏體晶界形核長大，而馬氏體中大多是板條狀碳化物，方向感明顯；2#試樣組織中的碳化物經過回火處理，擴散較充分，組織中有較多彌散分布的顆粒狀碳化物，碳化物取向特征不如1#試樣明顯。

圖2 1#，2#試樣的SEM形貌

2.3 TEM分析

在1#，2#試樣上分別取1 mm厚的薄片進行TEM分析，結果如圖3,4所示。由圖3,4可知：1#試樣大部分區域為下貝氏體，形貌特征為成排的板條鐵素體上分布著長條狀碳化物，碳化物排列方向與鐵素體長軸的夾角約呈60°，還有少量馬氏體+殘余奧氏體；2#試樣為板條鐵素體上彌散分布著顆粒狀碳化物。1#，2#試樣的TEM形貌有較大的差異。

圖3 1#試樣的TEM分析結果

圖4 2#試樣的TEM分析結果

2.4 電子背散射衍射(EBSD)分析

對1#，2#試樣進行EBSD分析，結果分別如圖5,6所示，其中1#試樣中殘余奧氏體和上貝氏體很少，未能有效檢出，可以忽略不計。圖5a),5b)分別為1#試樣的晶粒取向分布和衍射花樣質量，可見馬氏體的碳過飽和度較高及晶格畸變較大，EBSD衍射花樣質量較差，在衍射花樣質量圖中趨近于灰黑色，而下貝氏體呈偏灰白色。將1#試樣馬氏體和下貝氏體的灰度進行統計，以確定1#試樣的灰度臨界值[8]，經軟件進行處理后得到1#試樣的衍射花樣質量統計圖[(見圖5c)]，可得1#試樣中下貝氏體含量約為88.1%，馬氏體含量約為11.9%。對比圖5和圖6可知，1#試樣的組織有明顯的針狀特征，兩端較為尖銳，方向感強烈，而2#試樣組織的針狀特征不如1#試樣明顯，兩端圓鈍，方向感較差。

圖5 1#試樣的EBSD分析結果

圖6 2#試樣的EBSD分析結果

2.5 顯微硬度測試

依據GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，分別對1#，2#試樣進行顯微硬度測試，結果如表2所示，可以看出1#試樣的硬度明顯高于2#試樣。

表2 1#，2#試樣的顯微硬度測試結果 HV

3 綜合分析

40Cr鋼常用的熱處理工藝為調質處理，顯微組織是較為熟悉的回火索氏體。40Cr鋼的等溫淬火工藝應用相對較少，因此，經該工藝處理后產生的下貝氏體形貌特征較為陌生。由金相檢驗結果可知，下貝氏體和回火索氏體的顯微組織形貌非常相似，但是下貝氏體侵蝕后有明顯的色彩效果和較明顯的針狀特征，且針狀組織密集排列成束，方向感強烈[9-11]。由TEM分析結果可知，下貝氏體與回火索氏體的基體都呈板條狀，但是碳化物的分布是有明顯區別的，下貝氏體碳化物分布與鐵素體板條長軸的夾角呈60°，而回火索氏體的碳化物是彌散分布的。由硬度測試結果可知，下貝氏體的硬度明顯高于回火索氏體。

下貝氏體和板條馬氏體的晶體學特征具有相似性[12]，中低合金鋼的板條馬氏體間、板條馬氏體與奧氏體間的位向關系同下貝氏體的位向完全相同，且二者組織形貌相似，組織辨別困難。雖然下貝氏體與馬氏體有著晶體學的相似性，但二者有不同的相變過程，下貝氏體的轉變溫度比馬氏體高，馬氏體從高溫冷卻到低溫時是切變形成，無擴散性，屬于含碳的過飽和固溶體；而下貝氏體形成過程伴隨著碳元素的擴散，會發生碳化物沉淀，屬于鐵素體和碳化物組成的混合物。下貝氏體的顯微組織呈針狀，馬氏體的顯微組織呈板條狀，二者碳化物分布不一樣，下貝氏體的碳化物分布與鐵素體板條長軸夾角呈60°，而馬氏體是碳的過飽和固溶體，沒有碳化物析出。

4 結語

40Cr鋼經等溫淬火后產生的下貝氏體組織有較明顯的色彩效果和針狀特征，細針狀組織密集排列，方向感強烈。下貝氏體的TEM形貌特征為條狀鐵素體上沉淀有細密的長條狀碳化物，排列整齊，與鐵素體長軸的夾角呈60°。下貝氏體的硬度明顯高于回火索氏體。40Cr鋼的等溫淬火組織中下貝氏體含量較多，約為88.1%，馬氏體含量約為11.9%。