淬火速度對(duì)AISI4320和4340鋼顯微組織和拉伸性能的影響

1、淬火速度對(duì)AISI4320和4340鋼顯微組織和拉伸性能的影響Yoshiyuki Tomita Kunio Okabayashi本文研究了淬火速度對(duì)兩種具有全馬氏體組織的商用AISI4320和4340鋼 的顯徽組織和拉伸性能的齢響試驗(yàn)鋼以兩種不同釣冷卻速庚自1323-1473K 的不同溫度淬火?？焖俅慊鹛幚聿捎帽}水，慢速淬火處理采用373K的油。 試驗(yàn)鋼經(jīng)473K雙重回火，中間快冷和冷凍。使用Ynstron試驗(yàn)機(jī)洶定室溫下 的拉伸性能。不同淬火速度產(chǎn)生的顯徴組織的變化用光學(xué)和薄履遺射電子顯微 鏡技術(shù)進(jìn)行觀網(wǎng)。Ms溫度殺高的4320鋼經(jīng)緩慢淬火處理后，無論原奧氏體晶 繪度大或小，其0.2%屈服

2、強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度均比晶粒度相同的快速淬火處 理鋼高，而總延伸率相似。但隨著原奧氏體晶粒度増大，慢淳鋼蚩度數(shù)據(jù)的分 散度變大。Ms溫度較低的4340鋼對(duì)淬火速度不敏飢與快淬處理相比，慢淬 死理僅使0.2%屈服強(qiáng)度稍有提高。根據(jù)顯微組織觀察的結(jié)果提岀，慢淬之所 以提高鋼的發(fā)度，是淬火（即自回火）時(shí)碳備聚或微細(xì)碳化胸在馬氏體基體 上析出造成彌散硬化的結(jié)果。一、前 言以往大量的研究旨在揭示具有全馬氏體組織的高強(qiáng)度低合金鋼的顯微組織和機(jī)械性 胡之間的關(guān)系。例如報(bào)道過馬氏休組織，即板條束、板條塊、板條以及碳化物形態(tài)在控 制強(qiáng)度和沖擊韌性時(shí)的作用"門。盡管事實(shí)上淬火速度顯著影響馬氏休組織和碳化物

3、 形態(tài)，認(rèn)為它對(duì)于工業(yè)應(yīng)用中機(jī)械性能的控制具有重要意義，但是關(guān)于淬火速度對(duì)機(jī)械 性能的形響卻很少有人研究"、1。因此為了在實(shí)際應(yīng)用中更好地控制機(jī)械性能，弄淸 淬火速度和機(jī)械性能之間的關(guān)系，以及淬火速度改變機(jī)板性能的機(jī)制，開展課題研究是 十分重雯的。Messier等m研究了淬火速度對(duì)Fe-C和Fe-C-Ni鋼馬氏體形態(tài)的影響。他們證 明，在淬火馬氏體中生成的單個(gè)板條的厚度以及碳化物顆粒的尺寸隨猝火速度的增加而 祓小.Donachie和AnselN®發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-C-Ni鋼的馬氏體形態(tài)隨著淬火速度的提高，可 由扳條轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺?。Tsuzaki和MakiW研究了冷卻對(duì)18%Ni馬氏體

4、時(shí)效鋼,Fe-18%N1k_斜率=上二21X|-X）b截距或 yi-kxjZ1.幾一兩標(biāo)樣的（碳或硫）含量， m 為一兩標(biāo)樣側(cè)得的讀數(shù)（格）。«Fe-24%Ni合金的板條馬氏體的影響。他們指出，所冇試驗(yàn)合金的板條束尺寸和塊島 寬度都隨淬火速度的增加面減小，上述結(jié)呆表明，汕果不產(chǎn)生淬火裂紋，提高淬火速度 可以使強(qiáng)度提高。但是關(guān)于淬火速度對(duì)馬氏體鋼強(qiáng)哎的彫響的文獻(xiàn)資料與上述顯微紐織結(jié)果的解肆互 相矛盾。Ansell和Breinan"）證明，由顯微硬度值（Kg”數(shù)）估算的AISI440A和4340 、鋼的強(qiáng)度值隨淬火速度的降低而提高。Chilton和KellJ"還發(fā)現(xiàn)，

5、一組普碳鋼以整塊 試樣在冰鹽水中淬火后，其顯徴換庚值比該鋼以2（gm厚的薄片彩式（即離淬火速度） 在冰鹽水中淬火的顯微砸度值薦。皋近我們也發(fā)現(xiàn)，淬火速度對(duì)淬火-回火4320鋼強(qiáng)度 和顯微組織影響相反的結(jié)杲，隨著板厚的増加，°*和久提高，此時(shí)馬氏體亞結(jié)構(gòu)有粗 化的傾向。臨界點(diǎn)升離，相圖變得更為復(fù)雜化°本文研究淬火速度對(duì)具苛全馬氏體亞織的兩種沛用AIS!422O$1424O鋼的顯微組織和 拉伸性能的影響，確定控制其強(qiáng)皮性能的冶金因素。二、試驗(yàn)方法兩種商用AIST4320和433試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分和溫頂示于表1。試驗(yàn)鋼為宜徑 100mm的熱軋圓棒，然后將圖慘黑緞成10mm厚的詞皈。

6、尺寸2 mm x 2f mm x 6'、mm的熱 處理試樣毛坯由其長(zhǎng)軸與軋匍方向平行的鋼板加工而庇。每個(gè)試樣均進(jìn)行完全退火。熱處理試驗(yàn)方案示于裘2。在i323M73K溫度范也的敘代管式爐中恒溫（誤差表1試驗(yàn)鋼化學(xué)成分（產(chǎn)%）和肌溫度（K）鋼號(hào)CSiMnpsNiCrMoM?43200.180.300,650.0110.009l.t)30.530.1568543400.420.280.70 0.0110.0071.790.830.16578Ms溫度用標(biāo)準(zhǔn)彩然儀渕龍表2熱 處 建 方 案名 稱熱 處 理快速淬火處理13231473K（3.6千秒），臭氏體化，冰鹽水淬火，77K（72千秒）冷處

7、理，473K雙巫回火，每次36千秒,中 間快冷和冷凍。 »W . * O < W . . . . . » . MM慢速淬火處理1323-1473奧氏體化（3.6千秒），在373K的汕中淬火，77K冷處理（72千秒），473K雙巫回火，每次3.6 千秒，中間快冷和冷凍?？焖倩蚵俜旨?jí)淬火處理13231473X（3.6千秒）足氏休化，戀稍髙于M； （93K ） 溫度的鉛-錫浴爐中淬火，保溫5秒，在冰鹽水或373K的油中淬火，77K （ 72千秒）冷處理，473K雙更回火， 毎次3.6千秒，中間快冷和冷凍© 1994-2012 China Academic Jou

8、rnal Electronic Publishing House. All rights reservedJf）5K ）奧氏體化以后，試樣毛坯以兩種不同的冷卻速度在冰鹽水（快速淬火處京） 和373K的油中（慢速淬火處理）淬火。一些試樣采用分級(jí)淬火。分級(jí)淬火使用的鉛- 錫浴爐有足夠大的熱容量。全部試樣毛坯在各種介質(zhì)P淬火以后，立即浸入液1R之中， 冷凍大約：2千秒。然后試樣毛坯在472K的油爐中雙重回火，毎次衛(wèi)火36千秒，中間快 拎，并在液氮中冷凍。其目的是完全消除殘余奧氏休2'八）。拉伸試驗(yàn)采用圖1所示的拉伸試樣。拉伸試樣的外部尺寸系仔細(xì)研磨而成，加載孔 用電火花機(jī)床加工。室溫（ 29

9、3K ）拉伸試驗(yàn)在Instron試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，應(yīng)變率為3.35X io-7s,用自動(dòng)應(yīng)變儀控制。R1S06（mm）圖1拉伸試樣的形狀和尺寸用光學(xué)顯微鏡和薄膜透射電鎮(zhèn)檢驗(yàn)顯微組織。光學(xué)金相試樣取自拉伸試樣的竭部。 試樣首先用含0.2%表面活性劑的過飽和苦 味酸水整液腐蝕顯示原奧氏體晶界，然后用 含0.08%氯化銅的過飽和苦味酸水溶液顯示 原奧氏體晶粒中的板條組織Y）。薄膜取自 拉伸試樣和淬火態(tài)毛坯的端部，首先將其機(jī) 械研磨到O.lrmn厚，然后在氫氟酸和過氧 化氫混合溶液中化學(xué)減薄，最后在磷酸和鋸 酸混合液液中電解拋光。三、結(jié)果和1垃伸性能快速與慢速淬火處理的4320與4?40鋼的強(qiáng)度與總延伸率

10、和平均原奧氏體晶粒度（用 ASTM直線截距法測(cè)值）之間的關(guān)系如圖2所示。可見慢速淬火處理的4320鋼與快速淬 火處理相比，在總延伸率相當(dāng)?shù)那闆r下 蘆q，和6都燈高了，帀與原腹氏體晶粒度無 關(guān)。隨著原奧氏體晶粒度的增大，該丁忙？速管火7®數(shù)擁曲分散度變大（圖2 ）。另 一方面，與4320鋼相比，4340鋼的抗拉性能對(duì)淬火速度的變化不敏感，與快速淬火處理 相比，慢速淬火處理僅使，稍有提高（圖3 ）o(§)«4320H飛'：'0餅atECttAK尺寸 dr(um)o o eM氏體檢尺寸"（凹1）*ds)制«圖2原奧氏體晶粒尺寸（心）對(duì)

11、按 表2方案快冷與侵冷的432理U度 （%和S）和總延伸率6的形響 60 圖3原奧氏體晶粒尺寸（dr）對(duì)按 表2方案決淬與慢淬處理的4340鋼強(qiáng) 度（.»和。"和總延伸率（6）的形響2金相現(xiàn)案圖4 按農(nóng)2為聚進(jìn)行幾，（a研究淬火邃度不同帶來的顯融組織變化是為了弄清上述淬火電度影響邊度性能的機(jī) 制。最近的研究表明具有全馬氏體紐織的髙強(qiáng)度低合金鋼可通過馬氏體組織， 即束、塊和板條尺寸的細(xì)化來提高強(qiáng)度。因此首先研究了淬火速度對(duì)亞結(jié)構(gòu)的影響。此 處觀察的是完成全部熱處理后的亞結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)椋鶕?jù)某些預(yù)試驗(yàn)結(jié)果u<1,與淬 火速度相比，淬火以后的熱處理苛亞結(jié)構(gòu)的影響很小）顯微組

12、織可直接與拉伸性能進(jìn) 行比較。圖4為快淬與慢淬處理的4320鋼典型的光學(xué)顯微照片。用含0.2%表而活性劑 的苦味酸過飽和水溶液和3 %硝酸酒精溶液腐蝕后進(jìn)行的光學(xué)顯微鏡預(yù)先研究表明，無 論淬火速度大小，均不析出鐵素體和貝氏體這類非馬氏體分解產(chǎn)物。正如圖中所見，與 慢禪處理相比，快淬處理滅小板條束的直徑。此外為了對(duì)此進(jìn)行定量說明，在圖4所示 的那些光學(xué)顯微照片上采用ASTM截距法對(duì)平均機(jī)條束直徑進(jìn)行測(cè)址，并將其與原奧氏 體粒度的關(guān)系示于圖5。由対可見，與慢淬處理相比，快F處理個(gè)脈奧氏體晶粒尺寸）與慢淬（b丿、工（L43堤氏爪化）的4320鋼先學(xué)顯微組紐照片（A和P分別表示原奧氏體晶界和板條束領(lǐng)域

13、）100 4320U駅真氏*Att尺寸dr （呻）圖5按占2方案快淬與畏淬處理的43 0鋼：提氏體晶粒尺寸（dj與板條束宜徑（d.）之間的關(guān)系為6G128im的范圍內(nèi)，顯苦地減小板條束 的直徑。而且透射電鏡研究發(fā)現(xiàn)，與慢淬鋼 相比，在原奧氏體晶粒尺寸艾6 1丫 m的 范圍內(nèi)，快淬鋼馬氏體板條束由較密的平 行板條所組成（圖6 ）。上述結(jié)果（包括圖 2和3中的強(qiáng)度數(shù)據(jù)）與E氏體4 2（，鋼的強(qiáng) 度隨板條寬度和板條束直徑的減小而提高的 緒果1,1 部分矛盾，因?yàn)楸狙芯恐星?qiáng) 度隨板條寬度的增加而提高。對(duì)：40鋼的板 錢束直栓也作了相同的金相觀察和測(cè)履，結(jié) 果示于圖7和8。由圖7可見，隨著溼火也 度

14、的不同，4340鋼的板條束宜徑?jīng)]冇顯著變 化。兩種不同淬火速度下的板條寬度也沒有1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reservedr* Mp5www.c顯著變化（圖8）。顯微組織的結(jié)果還不能解 釋圖3所示的不同淬火速度引起的強(qiáng)度變化。另一個(gè)彫響全馬氏體髙強(qiáng)度低合金鋼強(qiáng) 度的重要冶金因素，是淬火時(shí)碳的偏聚或碳 化物析出Ansell和Breinan"】研 免了形響AISIW0A和4340鋼強(qiáng)度（顯微硬 度）的因素，證明強(qiáng)度隨淬火速度的降低而 提高。他們握出慢淬之所以對(duì)鋼的強(qiáng)度有

15、 利，是由于在奧氏體轉(zhuǎn)變之前，碳向奧氏體 的組縱缺陷中備聚，從而引起彌散強(qiáng)化的結(jié) 果。Chilton和 Breinan"）用_組 Fe-Ni 和 Fc-NbCffi研究了影響E氏體強(qiáng)度的因素。5015 $«*卑原奧氏體晶粒尺寸dr（um）因7按表2方案快淬與侵淬處理 的4340銅原奧氏體晶垃度（山）與 板條束直徑（g）之問的關(guān)系圖8按衣2方策快淬（a ）與盪淬（b ） ；注（1473K臭氏體化）的4340鋼的透射電鏡顯微組織照片/ 2 .他們證實(shí)，淬火（即發(fā)生自回火）時(shí)產(chǎn)生的碳偏聚和某種形式的沉淀硬化對(duì)馬氏體的強(qiáng)度 有利。Wilson門叫 Bailor和Dorio”&quo

16、t;】, Bernstein和RatW, Mintz1 n,改 變冷卻速度所帶來的碳的晶界偏聚程度以及磯化物析出對(duì)權(quán):，低硯鋼或變素體-珠光體 鋼的強(qiáng)度有篁要夠嗆.於給上述文獻(xiàn)可以預(yù)計(jì)，澄火遠(yuǎn)度的變化所造成的強(qiáng)度的變化 （如圖2和3所示）與淬火時(shí)的碳僞衆(zhòng)茨砂化物析出密切翹關(guān)？岡此為了擴(kuò)涪這個(gè)問題，采用薄膜透射電子顯微技術(shù)在離放大倍數(shù)下，對(duì)從濁火態(tài)毛坯上切取的試樣進(jìn)行研 究。透射電儻技術(shù)研究表明，左慢捽4320鑰的原奧氏體品界區(qū)域上析出細(xì)小球狀或粗大 榕狀碳化物（圖9 ）,而快彳的44”的申沒有發(fā)現(xiàn)明顯的贄化物析出。粗大梓狀碳化物由選區(qū)電了衍射分濰天F$C,而細(xì)卜球狀碗化物盡選區(qū)電了衍射分辨不出

17、來。該結(jié)果 與Messier等小的研兗結(jié)果一致,即在F-C和Fe-C-Ni例中，馬氏體內(nèi)的碳化物粒子 （Fe；C ）的尺寸隨淬火述度的増加而冷小，直列淬火速龐尿大時(shí)，這底粒子再也分辨 不出來。此外引人注盤的是，在與相同的訊奧氏休品粒度進(jìn)行比較時(shí)，隨蕃粗大林狀碳 化物的消失，慢淬432G鋼的0.2%屈服強(qiáng)度（° .2 ）和極限抗拉強(qiáng)度（S ）都有提高的 趨勢(shì)（圖10和b）。在這方面，Chilton和Kelly"）也垢出，淬火時(shí)析出的粗大碳化物)nic Publishing House. All rights reserved. httpAv)nic Publishing Ho

18、use. All rights reserved. httpAv圖10純役分飯淬火處理（淬火杰后 4320妮尿奧氏體畐界上碳化物析出 相的透射電鏡照片（C表示碳化物 析出相）圖9 慢淬處理（1473K冥氏體化）后4320鋼原冥氏體晶界上碳化物析出相的電鏡廉片（C表示碳化物析出相）不能提高與析岀相冇關(guān)的強(qiáng)度。這可能是由 于粗大碳化物的析出，過多地減少了固溶休 中的碳，因而降低了馬氏體的強(qiáng)度f2a ± 述結(jié)果，以及與淬火速良相比，淬火麻續(xù)工 序（即冷凍和回火）對(duì)亞結(jié)構(gòu)夠胞較小的享 實(shí)門“表明,淬火勺細(xì)小站匕物的析出對(duì)于 緩小鋼強(qiáng)度的提高有決定性作用。右卞據(jù)證 明這個(gè)假設(shè)。這就是4：聽鋼的

19、強(qiáng)皮對(duì)淬火速 度不敏感，即使在緩淬火處理M后，頂奧 氏體品界附近也只有極少扭的碳化物。根據(jù) 上述顯徽組織結(jié)果和討論提出，緩冷鋼強(qiáng)度 的提窩主要展由于淬火時(shí)細(xì),J、碳化物的析出所造成的分散硬化的結(jié)果。但是正如從圖2所見，緩4320鋼的強(qiáng)度性能分散度較高。 假設(shè)數(shù)據(jù)分散度大與淬火時(shí)碳僞聚的模型和碳化物析出的程度有關(guān)，則這就超鋼所固育 的，不能人為地控制。.盡借如此假設(shè)，仍不能解釋，為什么在緩冷4220鋼的強(qiáng)度性能分 僉度離的同時(shí)，總延仲率數(shù)值散度卻不那么高的跟因。.這可能是由于延伸性能對(duì)顯微 組織待點(diǎn)不敏感。例如盡管4。20和43"鋼的強(qiáng)度值和巴氏體形態(tài)右較大差別，但它們的«-

20、 03 )nic Publishing House. All rights reserved. httpAv總BE伸車值幾乎相同。正如從前的文獻(xiàn)所指出的，預(yù)計(jì)淬火時(shí)碳偏聚對(duì)強(qiáng)度所產(chǎn) 生的有利的形響也起輩要作用.為了證實(shí)這個(gè)想法，有必要進(jìn)行原!T氏體是界區(qū)碳分布 的定量分析。這將在未來工作中，即通過電子探針微區(qū)分析來進(jìn)行閘明。3分毀淖火處理B11原奧氏體晶粒茂（C）對(duì)按表2方案快連勻曼寶分級(jí)淬火處理的4320銅強(qiáng)度（和o ）的形響自然出現(xiàn)的一個(gè)問題是，淬火過程中何時(shí)發(fā)生碳偏聚或碳化物析出。正如上述，與 M“溫度校低的d34J鋼相比，Ms溫度較高的心20鋼淬火時(shí)析出更多的碳化物，盡管4320 鋼含

21、的碳比4340鋼少。這表明淬火時(shí)析出的碳化物數(shù)準(zhǔn)恥決于由M溫變控制的自回火 程度I" l4,o但是有關(guān)淬火速度對(duì)碳偏聚或碳化物析出影響的文獻(xiàn)資料互相矛盾。 Ansell和Breinan"】根據(jù)Ansell和ArroW首先提出的模型，對(duì)淬火速度與AISI440A 和4340鋼強(qiáng)度關(guān)系的結(jié)果進(jìn)行分析，得出淬火時(shí)碳偏聚或碳化物析出完全發(fā)生在奧氏 體馬氏體特變之前的奧氏體中的結(jié)論。相反，Chilton和KeHy"i在一篇關(guān)于鐵2氏體 朝度的研究報(bào)告中指岀，淬火時(shí)碳偏聚或呢化物析出完全發(fā)生在馬氏體而不是奧氏體 中。他們的理由雪述如下，在馬氏體中碳偏聚或碳化物析出的驅(qū)動(dòng)力比在

22、奧氏體中 大$有宜接證據(jù)征明在自回火馬氏體中有 碳化物粒子存在，但無任何證抿證明在奧氏 體中存在任何形式的碳偏聚或碳化物析出。 所以為了說明淬火過程中什么時(shí)候發(fā)生碳偏 聚或碳化物析出，對(duì)中制進(jìn)行喪7所示的 緩慢分級(jí)淬火處理。也就縣說在奧氏體化和 M溫度之間快速冷卻，盡可能抑制淬火時(shí)在 真氏體中發(fā)牛碳俏聚或碳化物析出。圖1。是 緩慢分級(jí)淬火：；0撐的透射電艷照片。此 外，快速與饞慢分級(jí)淬火的22（，鋼用進(jìn)行拉 伸試驗(yàn)，緒果示于圖11。比較圖2和箋11可 見.分級(jí)那火鋼與宜接淬火鋼的強(qiáng)度隨淬火 速度變化的規(guī)律是相似的，而與原奧氏體晶 粒度無關(guān)。上述結(jié)果表明，本研究中觀察到 的碳備聚與碳化物析出發(fā)生

23、在淬火（即自回 火）時(shí)產(chǎn)生的馬氏體中。四、結(jié) 論1M、溫度較高的4320鋼經(jīng)緩慢淬火（在37：K的油中淬火）處理后，無論原奧氏 體晶粒度大或小，其（，2%屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度在總延伸率相同的條件下，均比快 速淬火（在冰鹽水中淬火）處理對(duì)高。隨著原奧氏體晶粒度變大，緩慢淬火鋼的強(qiáng)度分 散度亦變大。2.溫度較低的43®鋼的拉伸性能對(duì)善火速更不敏盛與快Mt火比.慢速淬火處理僅斤提高0.2%屈服強(qiáng)度。（W72頁）1994-2（H?Xvn<k：mic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.1 項(xiàng)目名稱主 要 內(nèi)

24、 容第=屆卄審分析.舉辦電子顯墩學(xué)質(zhì)譜光講、霹術(shù)報(bào)口及展專題報(bào)告釧展出各國反映國際先 竺 進(jìn)水平的分析測(cè)試儀器越一丹繭氏糅4堊I舉辦有關(guān)稀土的專業(yè)技來訴座初 蕭勰飜拓學(xué)術(shù)亦流活動(dòng)，展出國內(nèi)外主要廠 否家曲柿上期商的稀土產(chǎn)品和稀土由用產(chǎn)品，廣 豎迄進(jìn)行國內(nèi)外技術(shù)交流和產(chǎn)品貿(mào)易_1'有關(guān)光満學(xué)的基礎(chǔ)理論研 第二屆國際稀土光究；結(jié)構(gòu)硏究中的光譜方法. 譜討論會(huì)高T稀七箱導(dǎo)體的光譜；新發(fā)光材料和新技術(shù)）命用B! 干擁劃痂半d 開展無損檢測(cè)考業(yè)的學(xué)術(shù)" 鑿勰駆術(shù)贅易薜損檢測(cè)儀器展覽;技術(shù) 礦充損麗學(xué)會(huì)廠 命篠耆必卑克教櫛第來華俳 技術(shù)交流會(huì) 學(xué)，開展技交流，進(jìn)行技術(shù)合作會(huì)談至石單位（聯(lián)系人）89年10月；北京展覽館飯店 611月1 0 BCEIA會(huì)議秘書 I北京展覽館處時(shí)間.地點(diǎn)89月8月 包 頭中國稀土學(xué)會(huì)月日春914 年899 長(zhǎng)長(zhǎng)舂由用化學(xué)所（張供杰）89年10月 北京卜悔甘料研究所 （蔡霊之）89年了月一上海甘料研究