25MnCrNiMo钢贝氏体组织形态的显微结构分析

李鹤飞，覃作祥

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 前言

自1939年将奥氏体在中温区经等温转变或连续冷却所得到的组织命名为贝氏体(Bainite)以来［1］，贝氏体组织因其具有节约能源、降低成本、显著简化工艺流程及提高材料性能的特点，对材料工程及制造技术的进步具有极大的推动作用，并且，近年来贝氏体钢越来越受到工程界高度的关注［2-4］.低碳铬钼钢是应用于铁路行业的重要部件——车钩制造用钢.该钢采用淬火加高温回火的调质热处理工艺，成功研制了16号和17号车钩，解决了我国大秦线开行2万吨列车的需要，并使得我国车钩的制造水平达到了国际先进水平［5］.随着重载列车的运行速度、牵引总重不断提高，车钩受到的各种作用力越来越大，使用工况更加恶化，疲劳断裂已成为车钩失效的主要形式［6-9］.由于车钩的尺寸大，并且车钩制造用钢的淬透性不高，在调质热处理过程中很难整体淬透，内部极易形成贝氏体组织，尽管之前有专家对车钩组织转变及力学性能做了很多研究［10-13］，但是对于车钩用钢的贝氏体组织转变尤其是等温转变温度对其组织影响的研究相对较少，因此本文选用25MnCrNiMo钢进行中低温等温转变处理来探寻有关贝氏体相变规律，丰富贝氏体相变的实验内容，并为铁路关键零部件的制造提供指导.

1 实验材料及方法

(1)实验材料

本文选用列车车钩用钢25MnCrNiMo，其化学成分(wt%)如下:C 为 0.22 ～0.29%;Si为 0.15～0.40%;Mn 为 0.50 ～0.80%;P，S≤ 0.015%;Cu≤0.3%;Ni为 0.3%;Mo 为 0.15 ～0.30%;Cr为0.90 ～1.20%.

(2)热处理工艺

图1 试验用钢的热处理工艺曲线

试验用钢的热处理工艺曲线如图1所示，奥氏体化温度为920℃，保温40 min，然后淬入熔化的硝酸盐浴炉中保温进行等温转变，等温温度范围为300～480℃，以30℃为间隔温度，等温时间均为40 min，随后出炉水冷.25MnCrNiMo钢的Bs点约在500℃，本实验的最高等温温度为480℃，接近贝氏体形成的上限温度，该钢的Ms点约为290℃，300℃等温时，属于下贝氏体转变区域.

(3)显微组织分析及显微硬度测试

25MnCrNiMo钢等温转变后将试样表面去除氧化脱碳层，先在金相砂纸磨制，再进行机械抛光，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀.在VHX-1000超景深显微镜上观察贝氏体形态.透射电镜试样用电火花线切割机截取，厚度约为0.8 mm.样品先在金相砂纸上减薄至30～50 μm，然后将试样用冲片器冲裁成Φ3mm的圆片，使用离子减薄仪制成薄膜样品，在2100F场发射透射电子显微镜下观察贝氏体的微观结构.

硬度测试采用FM-700型数字显微硬度计，载荷为10 kg，最终结果取5个硬度值的均值.

2 实验结果与分析

2.1 金相组织分析

25MnCrNiMo钢的正火组织如图2(a)所示，其组织特征为:条状铁素体+珠光体，白色条状组织为铁素体，尺寸较粗大.对不同温度等温转变依次进行了组织形貌的观察分析，如图2(b～d)所示.300℃和330℃等温转变以下贝氏体为主，如图2(b)所示，条状贝氏体铁素体内部分散着较多的细小碳化物.等温转变温度的升高，下贝氏体中的铁素体条渐宽，铁素体呈现块状，变成粒状贝氏体，且数量逐渐增多，铁素体块内有一些碳化物颗粒和孤立的小岛，小岛组织呈块状或长条状，形状不规则，如图2(c)所示.随温度进一步升高粒状组织更加均匀粗大如图2(d)，480℃时出现了上贝氏体组织，呈羽毛状，碳化物在一定位置上聚集.金相组织表明，不同等温温度进行贝氏体相变，得到不同形态的贝氏体组织，随着等温转变温度的升高依次得到:下贝氏体—粒状贝氏体—上贝氏体组织.

图2 25MnCrNiMo钢正火组织和不同温度等温转变得到的贝氏体组织

2.2 显微硬度的变化

图3是25MnCrNiMo钢在920℃加热后在不同温度下等温转变所获得的组织显微硬度变化曲线.随等温温度的提高，硬度迅速下降，390℃之后下降趋于平缓，直到等温温度为420℃最低，并且硬度在390～450℃之间变化不大，温度升高到480℃，硬度有所升高.组织显微硬度变化是由于在300℃时获得少量的马氏体组织，有大量的位错存在，硬度值特别大;随着等温转变温度的升高，马氏体组织消失，贝氏体含量增多，碳化物析出的数量和弥散程度降低，导致硬度迅速下降;等温温度为390℃时，组织获得几乎全部的粒状贝氏体组织，随着温度的进一步提升，组织趋于均匀化，状态变化不大，硬度值趋于平衡;当等温转变温度提高到480℃，出现了羽毛状上贝氏体，并且碳化物在一定位置聚集析出，硬度有所提高.

图3 显微硬度－等温转变温度曲线

2.3 等温处理对组织的影响

图4为25MnCrNiMo钢在不同等温温度的透射电镜照片，在较低温度下等温转变获得的组织为以下贝氏体+少量马氏体，如图4(a)所示，贝氏体铁素体条宽约270 nm，并且在贝氏体铁素体内部有高密度位错亚结构，其内部有相互平行的碳化物析出，一般与贝氏体铁素体条的轴向呈55°～60°的交角，如图4(b)所示，碳化物呈针叶状或者扁平状，针状尺寸约为130 nm×22 nm，粒状弥散分布较多，尺寸约为160 nm×45 nm.图5(a)分别析出碳化物的明、暗场像，衍射分析表明，这些碳化物均为θ碳化物，即渗碳体.

图4 贝氏体转变的TEM照片

390℃等温转变贝氏体铁素体呈条状和块状结合，如图4(c)所示.粒状贝氏体在小岛形貌及分布特征上有两类［14］:一是小岛呈不规则块状，它无规则的分布在铁素体基体上，如图4(d)所示，另一类是小岛呈不连续的长条形，并且互相趋于平行排列，如图4(e)所示，碳化物形态两种可同时也可单独存在.420℃等温转变明显的块状组织，长条状碳化物在晶界和晶内都有析出，块状组织内部大部分是长条状碳化物.块状组织晶间也存在少量的碳化物，内部呈岛状或条状存在.

480℃等温转变明显的上贝氏体形态，如图4(f)所示，条片状的上贝氏体在奥氏体界面上形核，并长大为羽毛状，碳化物与贝氏体片条轴向呈平行分布，可见碳化物呈短棒状或短片状分布在贝氏体铁素体(Bf)之间，与铁素体片的方向大体上平行.图5衍射分析表明，这些碳化物也是θ碳化物，即渗碳体.

图5 25MnCrNiMo钢在不同温度等温析出的渗碳体的明、暗场像及其衍射斑照片

3 贝氏体组织转变过程讨论分析

3.1 下贝氏体形核长大及碳化物析出机制讨论

下贝氏体是非层状的铁素体和碳化物的聚合物，碳化物有两种不同的分布位置，有的碳化物像上贝氏体一样从富碳奥氏体中析出并分布于贝氏体铁素体片之间，而更多的细小的弥散分布的碳化物出现透镜状的铁素体片内.下贝氏体形成温度低于海湾温度，合金元素原子难以扩散，碳原子尚能扩散.转变开始时在奥氏体晶界往往吸附大量碳原子，但是晶内依靠涨落可以形成贫碳区，则在位错处容易形核.而且下贝氏体相变温度低，使得相变驱动力增加，能够以切变机制形成贝氏体铁素体［15-17］.所以下贝氏体铁素体的形核长大先以马氏体相变的无扩散性(晶格原子和碳原子均不发生扩散)切变方式形成碳的过饱和体心立方或体心正方固溶体，随后过饱和的固溶体发生自回火过程，在α相内析出碳化物形成下贝氏体组织.

3.2 粒状贝氏体形核长大及碳化物析出机制讨论

中温块状铁素体的形核和长大有其特征:块状铁素体晶核可分布于奥氏体晶粒内或晶界边缘;临界晶核各向均匀或不均匀长大，形成块状或不规则外形的铁素体块，它的长大不具备固定的长大方向，没有固定的相变惯析面.岛状组成相是中温转变的组成部分，随着铁素体量逐步增多，奥氏体量逐渐减少，它所含的碳量一再增加，其中包括由铁素体排泄出来的碳.由于相变不具有固定长大取向，各向均匀长大的铁素体块变粗可以相遇，并在块之间构成富碳的奥氏体小区及岛状组织;有时这种富碳奥氏体小区可以被推移到晶界面附近.铁素体晶体的不均匀长大可构成钳型的块，从而将富碳奥氏体小区包围起来，便在块内呈现出岛状.有关理论［18］同样表明中温块状铁素体转变具有扩散和切变双重相变特征.即部分贝氏体铁素体先以切变形式形核，然后在贝氏体铁素体条增厚的过程中，相邻平行取向一致的铁素体条相碰可构成条束，相同取向的条束又可以合并成块状，原在条束间的富碳奥氏体或碳化物被分隔开来，显示为铁素体块内的岛状组织.而且内部呈粒状或短条状，尺寸不等.

3.3 上贝氏体形核长大及碳化物析出机制讨论

上贝氏体铁素体/奥氏体的相界面并不是共格的，相关实验研究［19］表明，上贝氏体铁素体的形核长大从热力学上来讲切变驱动力很小，难以切变方式进行.贝氏体铁素体的形核和其他扩散性相变规律相同，在孕育期中，奥氏体中由于浓度涨落可以形成贫碳区，结构涨落可以形成体心核坯，能量涨落可以提供核坯和临界晶核所需要的能量，使得奥氏体贫碳区的结构瓦解，形成贝氏体铁素体晶核，其过程类似于珠光体转变过程，贝氏体铁素体长大，向外排碳，形成奥氏体富碳区，聚集形成渗碳体，由于形成温度较于珠光体转变温度低，所以碳扩散速率降低，不能形成连续的碳化物组织，最后获得的的是贝氏体铁素体条与相间的不连续的渗碳体.

从贝氏体的三种形态来看，低碳钢的各种贝氏体转变并没有明显的界线，是一个连续的转变过程.从下贝氏体到粒状贝氏体再到上贝氏体，随着等温转变温度的升高，贝氏体形态逐渐演化;从相变机制上，贝氏体转变随着等温转变温度的升高，以下贝氏体的切变方式形核到粒状贝氏体的切变-扩散双重机制，再到上贝氏体的扩散机制，整个贝氏体相变随温度的变化是一个渐变的变化过程.

4 结论

(1)随着等温转变温度的升高，贝氏体组织形态由下贝氏体-粒状贝氏体-上贝氏体逐渐演变;

(2)300℃等温转变获得的硬度最大，之后随着等温温度的提高开始急剧下降，在390℃之后趋于平缓，在420℃硬度值达到最低，之后随温度升高硬度变化不大;

(3)贝氏体转变机制由下贝氏体的切变形核到上贝氏体的扩散长大机制，粒状贝氏体表现出扩散-切变双重机制，随着等温转变温度的升高，贝氏体相变是一个切变-扩散连续渐变的过程.

［1］BAIN E C.Functions of the alloying elements in steel［M］.American:American Society for Metals，1939.

［2］KO T，COTTRELL S A.The formation of bainite［J］.Journal of the Iron and Steel Institute，1952，172(3):307-311.

［3］AARONSON H，REYNOLDS W T，SHIFLET G J，et al.Bainite viewed three different ways［J］.Metallurgical Transactions A，1990，21(6):1343-1380.

［4］FLOWER H M，LINDLEY T C.Electron backscattering diffraction study of acicular ferrite，bainite，and martensite steel microstructures［J］.Materials Science and Technology，2000，16(1):26-40.

［5］INFANTE V，BRANCO C，BRITO A，et al.A failure analysis study of cast steel railway couplings used for coal transportation［J］.Engineering Failure Analysis，2003，10(4):475-489.

［6］罗桂琼.客车车钩缓冲装置裂纹成因分析及改进措施［J］.铁道车辆，2006(7):35-37.

［7］白淑萍.大秦线C80型货车16、17号车钩裂纹原因分析及应对措施［J］.铁道技术监督，2008(9):17-19.

［8］刘鑫贵.大秦线C63A货车16号车钩尾销孔裂纹原因分析［J］.金属热处理，2008(4):109-113.

［9］刘宝宽，张杰，邓立，等.大秦线运煤敞车钩尾框裂纹的分析和建议［J］.机车车辆工艺，2003(10):33-36.

［10］邱铭智.13号车钩强化正火热处理新工艺［J］.机车车辆工艺，1992(2):12-15.

［11］戈文娟.提高E级钢车钩材料强韧性研究［D］.北京:北京交通大学，2008.

［12］邹稳根.国内外机车车辆用车钩缓冲器发展综述［J］.国外机车车辆工艺，2006(3):1-2.

［13］秦晓峰，提速重载货车车钩钩舌材料疲劳性能的试验研究［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2005.

［14］方鸿生.粒状贝氏体组织形态、精细结构及相变［J］.金属热处理学报，1982(2):76-89.

［15］BHADESHIA H.The bainite transformation:unresolved issues［J］.Materials Science and Engineering:A，1999，273:58-66.

［16］GARCIA-MATEO C，CABALLERO F G，BHADESHIA H.Low temperature bainite［J］.Journal de Physique IV(Proceedings)EDP sciences，2003，112:285-288.

［17］AKAHASHI M，BHADESHIA H.Model for transition from upper to lover bainite［J］.Materials Science and Technology，1990(6):592-602.

［18］俞德刚，郑经纮，梁振峰，等.低中碳合金钢的中温块状铁素体组织［J］.金属学报，1983，19(5):5-150.

［19］HSU T Y，MOU Y.Thermodynamics of the bainitic transformation in Fe-C alloys［J］.Acta Metallurgica，1984，32(9):1469-1481.