各种工艺条件下调质结构钢金相分析—中温等温处理

      中温等温处理及金相分析
      在之前的文章中已经介绍了钢的过冷奥氏体等温转变曲线及相应各温度段的产物：在高温等温转变产物为珠光体型组织（珠光体、索氏体、托氏体），中温转变产物为贝氏体（上贝氏体、下贝氏体）以及低温段冷却形成的马氏体+残留奥氏体。高温等温处理，及索氏体处理常用于钢丝（钢丝绳、弹簧）最终拉拔成型前的热处理。中温等温处理工艺常用于结构钢制的弹性器件、受冲击载荷构件，如链板、锚链等。
      贝氏体结构钢是专门为中温等温处理设计的钢种，而普通结构钢由于贝氏体转变区较狭，一般工艺条件下较难获得以贝氏体为主的基体组织。在贝氏体钢发展中，为提高贝氏体的韧性常以降低碳含量为手段，故目前大量应用的为低碳贝氏体钢系列。
      结构钢在中温区等温或连续冷却，过冷奥氏体都可能发生贝氏体转变。一般把能在较宽温度范围内或空冷中就能发生贝氏体转变的结构钢称为贝氏体结构钢。
钢中贝氏体可定义为：过冷奥氏体的中温转变产物，它以贝氏体铁素体为基体，同时可能存在渗碳体或ε-碳化物、残留奥氏体相等，贝氏体铁素体的形貌呈条片状，内部存在亚片条、亚单元等精细亚结构，这种整合组织称为贝氏体。
      贝氏体组织形态呈现多样化特性，主要影响因素为化学成分及形成温度。一般可将贝氏体按组织形态的区别分为上贝氏体（upper bainite）、下贝氏体（low bainite）、粒状贝氏体（granular bainite）、无碳化物贝氏体（carbide-free bainite）等贝氏体类型。其中上贝氏体和下贝氏体最为常见。有关贝氏体的形成及形态可参考本站“过冷奥氏体的贝氏体转变”一文。以下从金相分析角度介绍上述各类贝氏体。

      1、上贝氏体
      图1所示为典型的上贝氏体组织形态，也称为羽毛状贝氏体，其组织特征为：成束而大致平行的铁素体板条，自奥氏体晶界的一侧或两侧长如晶内，渗碳体分布于铁素体板条之间，沿着铁素体板条的长轴方向排列成行，但不易辨认，在高倍电子显微镜下清晰可见。上贝氏体是由许多亚基元组成，铁素体条内的亚结构是位错。
      一般情况下，随奥氏体中含碳量的增加，上贝氏体铁素体条变薄，渗碳体形态也有粒状、链球状变为短杆状，甚至为连续杆状。随转变温度的下降，贝氏体铁素体变得更细小，渗碳体也变得更细小和密集。这种组织比较溶液浸蚀，且外形有羽毛状而变得很不规则。
      应该说明，在上贝氏体中，除了贝氏体铁素体和渗碳体外，还可能存在为转变的残留奥氏体。特别是含有硅、铝等元素时，大部分的奥氏体可保留到室温不发生转变，类似于无碳化物贝氏体。
      由于上贝氏体板条间分布有粗大的脆性碳化物，使钢的韧性降低，一般视为钢中的有害组织，力争避免出现。

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图1 上贝氏体-500X

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图2上贝氏体-电镜照片

      2、下贝氏体
      图3所示为50CrV等温处理后的组织形貌，图中黑色细针状为下贝氏体，基体还包括含马氏体、残留奥氏体以及少量颗粒状碳化物。

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图3 下贝氏体-500X

      下贝氏体也是有铁素体和渗碳体两相组成。其中铁素体的形态与马氏体很相似。含碳量低时呈板条状，含碳量高时呈针状或透射片状，含碳中等时两种形态都有。其中碳化物呈细片状或颗粒状，排列成行，均以55°~60°的角度与下贝氏体针的长轴相交，一般仅分布在铁素体内。下贝氏体片或针的一边较为平直。在高倍的电子显微镜下观察，下贝氏体中的碳化物清晰可见。下贝氏体钢具有良好的综合力学性能，优于回火马氏体，是贝氏体钢要求的组织形态；但在某些钢（如H13钢）中，若基体中出现贝氏体，在高温回火时会出现贝氏体脆性。

      3、粒状贝氏体
      粒状贝氏体主要是在低碳和中碳合金钢中以一定的冷却速度连续冷却时得到的，如在正火、热轧空冷或在焊接热影响区中都可发现这种组织。有时，在上贝氏体形成温度范围的高温区进行等温处理也可得到粒状贝氏体。
      一般情况下，粒状贝氏体组织形貌特征是铁素体基体上分布着岛状物，小岛状组成物呈不连续条形，平行分布在铁素体基体上。被包围与铁素体内的岛状物无论是形态还是大小都极不一致，有的呈条状、有的呈颗粒状。岛状物在铁素体内依一定次序排列，具有不同程度的方向性。在同一个原奥氏体晶粒内，岛状物可能沿几个方向排列。细致的分析表明，岛状物在组织构成上不外乎以下几种情况：
      1）单一的高碳马氏体或残留奥氏体；
      2）马氏体和残留奥氏体的混合体，即称MA岛；
      3）铁素体和碳化物的混合体（如珠光体）。
      至于岛状物究竟属于哪一种或哪几种并存，则取决于钢的成分和热处理条件。在光学显微镜下，粒状贝氏体呈不规则的粒状形态，观察不到内部的亚结构，而在分辨力更高的透射电镜下，一般多呈现条状结构。图4为40Cr钢粒状贝氏体光学显微镜下的组织形态，图5是放大8000倍的电镜照片。

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图4 粒状贝氏体-500X

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图5 粒状贝氏体-8000X

      4、无碳化物贝氏体
      一般认为，无碳化物贝氏体由板条状铁素体束和未转变的奥氏体所组成，也有认为无碳化物贝氏体是一种铁素体的单相组织，是贝氏体的一种特殊形式，可视为上贝氏体初期形成的贝氏体铁素体。未转变的富碳奥氏体，分布于铁素体条间，而铁素体和奥氏体中均物碳化物析出，所以称为无碳化物贝氏体。未转变的奥氏体在冷却过程中可能会转变为马氏体或其他组织，也可能被保留至室温。因此，在钢中通常不形成单一的无碳化物贝氏体，往往形成与其他组织共存的混合组织。利用光学显微镜对垂直双磨面的观察分析表明，无碳化物贝氏体的三维形态为长的片条。透射电镜观察表明，光学显微镜下的每一片条有板条状的亚单元构成，板条内的位错密度明显高于先共析铁素体。在等温转变条件下，无碳化物贝氏体的形态会随等温时间的延长而发生变化。等温时间较短时片条比较平直，等温时间较长时片条表面会变的凹凸不平。
      图6所示为CMnSiAl钢的无碳化物贝氏体形貌，图中白亮的条或块为残留奥氏体。

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图6 无碳化物贝氏体