原始组织对60Si2Mn钢亚温淬火组织及力学性能的影响

凌文丹 王海瑞 李小飞

(河南理工大学材料科学与工程学院，河南 454003)

亚温淬火是将亚共析结构钢加热至铁素体与奥氏体两相共存的临界区温度区间，并保温一定的时间，然后进行淬火的一种热处理工艺。亚温淬火加热温度较低，能显著提高钢的强韧性，有效抑制回火脆性。同时加热温度较低，可使工件的氧化脱碳、变形、开裂明显减少。

60Si2Mn 钢亚温淬火前经不同的预处理，得到了不同的原始组织。本文研究原始组织对60Si2Mn 钢亚温淬火后组织、力学性能的影响，为60Si2Mn 钢亚温淬火最佳工艺的制定提供依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为首钢生产的60Si2Mn 钢，其化学成分(质量分数，%)为：C 0.59，Si 1.75，Mn 0.75，Cr 0.32，Ni 0.30，S 0.035，P 0.032。供货状态为热轧态，尺寸为∅16 mm 的棒料。

试样分为硬度试块、拉伸试棒和冲击试样三种，以方便进行力学性能试验和显微组织分析。硬度试块的尺寸为∅16 mm×25 mm。拉伸试棒采用d0=10 mm、L0=5d0的短试棒。冲击试样采用10 mm×10 mm×50 mm V 形缺口试样。6 0Si2Mn 钢试样经不同预处理获得四种原始组织，预处理工艺如下：

(1)热轧态：即供货态，不需要进行预处理。

(2)正火态：加热温度870℃，保温20 min，空冷至室温。

(3)淬火态：淬火温度870℃，保温20 min，淬火介质为油，不回火。

(4)调质态：淬火温度870℃，保温20 min，淬火介质为油，回火温度510℃，保温40 min。

1.2 试验方法

使用SDTQ600 型差热分析仪进行DTA 分析，测定热轧态60Si2Mn 钢的相变临界温度。

试样在人工智能箱式电阻炉(型号：SGM2853H)中加热。60Si2Mn 钢常规完全淬火工艺如下：淬火温度870℃，保温20 min，淬火介质为油;回火温度480℃，保温40 min。

为分析原始组织对60Si2Mn 钢亚温淬火效果的影响，选用热轧态、正火态、调质态和淬火态四种原始组织的试样分别进行800℃亚温淬火。800℃亚温淬火工艺参数如下：淬火温度800℃，淬火保温时间20 min，淬火介质为油，回火温度460℃，回火保温时间40 min。

每个温度点先处理硬度试块、拉伸试棒和冲击试样各3 个，分别取其平均值作为试验结果。

2 试验结果与分析

2.1 临界温度和力学性能

正火态、调质态60Si2Mn 钢的DTA 曲线见图1。60Si2Mn 钢的DTA 分析结果见表1。

力学性能试验结果见图2。

从图2 可以看出，60Si2Mn 钢不同原始组织试样，经800℃亚温淬火后的力学性能不同。强度、硬度方面：淬火态试样的硬度和抗拉强度最高;热轧态、正火态、调质态强度、硬度彼此接近，差别不大，均低于淬火态。塑性和韧性方面：淬火态试样表现优异，具有最高的延伸率、断面收缩率和冲击韧度。和常规完全淬火比较，热轧态、正火态、调质态60Si2Mn 钢亚温淬火后的强度、硬度与常规完全淬火相当，淬火态试样亚温淬火后的硬度、强度高于常规完全淬火。四种原始组织的60Si2Mn 钢经亚温淬火后，其塑性和韧性均优于常规完全淬火。

图1 60Si2Mn 钢的DTA 曲线Figure 1 DTA curves of 60Si2Mn steel

表1 60Si2Mn 钢的DTA 分析结果Table 1 The DTA analysis results of 60Si2Mn steel

图2 原始组织对60Si2Mn 钢800℃亚温淬火力学性能的影响Figure 2 The effect of original structure on mechanical property of 60Si2Mn steel after intercritical quenching at 800℃

试验表明，原始组织影响60Si2Mn 钢亚温淬火后的力学性能与常规完全淬火相比，不管何种原始组织，60Si2Mn 钢经800℃亚温淬火后，可在强度、硬度不降低的情况下，改善其塑性和韧性。

2.2 60Si2Mn 钢淬火后的显微组织

60Si2Mn 钢的四种原始显微组织见图3。

由图3 可见，热轧态和正火态试样的组织均为先共析铁素体+珠光体。正火态试样的组织更加细小，铁素体与珠光体的分布更加均匀。淬火态组织由板条马氏体、孪晶马氏体和少量残余奥氏体组成。调质态组织为碳化物呈颗粒状均匀分布的回火索氏体。

四种状态60Si2Mn 钢800℃亚温淬火后的显微组织照片见图4。

图3 60Si2Mn 钢的四种原始组织Figure 3 The four kinds of original structures of 60Si2Mn steel

图4 60Si2Mn 钢800℃亚温淬火后的显微组织Figure 4 The microstructure of 60Si2Mn steel after intercritical quenching at 800℃

从图4 可以看出，热轧态、正火态和调质态60Si2Mn 钢800℃亚温淬火的转变产物为马氏体和铁素体双相组织，其组织形态相同，马氏体与铁素体呈颗粒状均匀分布。

显微组织分析表明：淬火态60Si2Mn 钢经800℃亚温淬火后得到极细小的针状铁素体和马氏体双相组织。与热轧态、正火态和调质态试样经亚温淬火后获得的颗粒状双相组织相比，淬火态试样的组织更细小，故具有更高的综合力学性能。

亚温淬火较常规完全淬火更有利于细化晶粒，也更利于提高钢的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为：一方面亚温淬火有未溶铁素体存在，阻止了奥氏体晶粒的长大;另一方面亚温淬火较低的加热温度，减慢了原子扩散的速度。另外，60Si2Mn 钢经亚温淬火处理，未溶铁素体和弥散分布的碳化物在细化晶粒的同时，也有利于滑移和晶界移动的晶粒取向，从而提高材料的塑性［1］。晶粒细化，晶界总面积增加，是60Si2Mn钢亚温淬火后韧性好、强度高的原因之一。

双相合金中双相的形态对试样的力学性能有影响，主要表现在对裂纹扩展的阻碍作用上。当铁素体呈针状时，马氏体被铁素体最大限度的分开，故裂纹的扩展不仅通过马氏体，还必然通过铁素体。铁素体在断裂前会产生大量塑性变形而消耗较多能量，从而对裂纹的扩展起到阻碍作用。若铁素体呈块状形态时，则裂纹容易只沿着马氏体基体扩展，而不与孤立的铁素体相遇，从而使试样的韧性变差。另外，铁素体呈针状、马氏体为细小板条状时，晶界总面积较块状时要大的多，也有利于力学性能的提高。针状组织比颗粒状组织细小，在材料变形和断裂的过程中能吸收更多的能量［2］。由于淬火态组织形态中针状组织最多，故其综合力学性能最好。

3 结论

(1)原始组织对60Si2Mn 钢亚温淬火后的力学性能有影响，经过预处理的淬火态试样亚温淬火后的综合力学性能优于热轧态、正火态和调质态试样。

(2)显微组织分析表明：原始组织为热轧态、正火态和调质态时，淬火组织中铁素体呈颗粒状，组织较为粗大。原始组织为淬火态时，铁素体呈针状均匀分布，组织细小。这是淬火态试样力学性能优于热轧态、正火态和调质态试样的原因。

［1］闫春波，周维龙.18Ni(2 450 MPa 级)马氏体时效钢细化晶粒工艺［J］.大型铸锻件，2004(2)：1－7.

［2］徐祖耀.马氏体相变及马氏体［M］.北京：科学出版社，1980：156－164.