中碳低合金贝氏体钢力学性能研究

宋春梅，焦玉凤，张德秋

（佳木斯大学材料科学与工程学院，黑龙江佳木斯 154007）

1 目的与意义

20世纪20年代，Robertson首先发现钢的中温转变产物[1-4]，随后Devenport和Bain等人对这种组织进行了大量细致的研究[5-9]，直到1934年“贝氏体”术语的提出[10]，贝氏体结构及其相变机制一直是人们研究的重点。贝氏体钢的研究，主要集中在低碳钢和较为复杂的热处理工艺上。从中碳低合金钢入手，采用铸态空冷技术，能获得更高的硬度和耐磨性，并能在很大程度上减少钢的热处理环节，减少因一般淬火时快速冷却引起的变形和开裂的倾向，比如：等温淬火，扎制等。最终制成一种生产工艺简便、成本低、耐磨性好、抗断裂能力强的铸态空冷贝氏体钢[11-13]。可以代替高铬铸铁和镍硬铸铁应用到破碎机和球磨机的衬板上，以提高它们的使用寿命。

2 实验内容和方法

首先对合金进行合理的成分设计，精确配料后采用砂型铸造工艺，使用10 kg中频感应炉进行浇铸，制备后的试样经过淬火和回火后，对试样进行粗磨，然后使用HR-150A洛氏硬度计测量试样的硬度；使用ZBC-300B全自动金属摆锤冲击实验机对打完硬度的试样进行无缺口的冲击，记录下相应试样的冲击值αk（J/cm2）.然后在GX71奥林巴斯金相电子显微镜下观察冲击断口扫描组织。

3 结果与讨论

对熔炼后的三组合金进行性能测试，三组合金各元素含量如表1所示。

实验采用正交设计法进行，图1所示为3种合金最优热处理工艺所得照片。由图1所示，A成分的试样含有大量粒状贝氏体，并对试样进行洛氏硬度测试，测试结果为43.5，B、C成分的钢主要含有很多针状的下贝氏体，洛氏硬度分别为53.8和58.5，由测试后的硬度值可以看出，试样的微观组织对性能有较大的影响，因为B、C合金中主要是含有大量针状下贝氏体，并且B中的含量要高于C合金，所以B、C合金的硬度高于A合金，但同时韧性明显下降。

表1 熔炼合金元素含量（质量分数，%）

图1 3种不同成分贝氏体铸钢的金相组织（×1000）

图1A成分的钢中含大量粒状贝氏体，所以它的硬度比其他两个合金低[14,15]，而冲击韧性高。B、C成分的钢主要含有很多针状的下贝氏体，因此，他们的硬度非常高，而冲击韧性明显下降。B中的下贝氏体含量高于C成分的，这也通过力学性能体现出来：B成分的综合性能稍优于C成分。

本实验对各种合金进行了冲击韧性测试。图2为不同淬火温度对试样硬度和冲击韧性的影响。

图2a）组试样，从中可以看出940℃奥实氏化加热可以获得硬度，冲击韧性值综合力学性能。图2b）表明在此成分920℃奥氏体化获得很好的综合力学性能，图2c）的冲击韧性值与奥氏体化温度的关系，开始硬度曲线不断升高，而冲击韧性曲线变化不大，到960℃时达到很好结合。显示了很好的综合力学性能。硬度与韧性的综合分析与合金组织有密切的关系，B合金的韧性低于A、C合金，A合金的韧性值远远高于其他两种合金，这主要是由于奥氏体后各种合金内部组织发生了变化，导致性能之间的差异。为了进一步分析合金的性能机理，对断口进行了扫描分析，如图3所示。

图2 淬火温度对试样硬度和冲击韧性的影响

图3 扫描断口SEM照片

A成分铸钢由于碳质量分数比较低，并且生成了大量的粒状贝氏体，所以它的断裂方式应该是韧性断裂，并且从图中可以观察到断口存在有大量的韧窝，所以可以判断A合金主要是韧性断裂。B成分和C成分铸钢的碳质量分数比较高，奥氏体化后生成了大量的下贝氏体组织。断中扫描清晰看出，含有大量的台阶和光滑的准解理面，所以它的断裂方式应该是脆性断裂。

4 结论

1）成功制成一种成分以 w（C）：0.35%～0.5%，w（Cr）：1.5%，w（Mn）：0.5%～1.5%，w（Si）:0.5%～1.5%，w（Cu）：0.5%～1.5%为主要添加元素的低成本中碳合金铸钢。

2）铸造成型后在880℃～960℃范围内加热奥氏体化直接空冷均获得以贝氏体为主含少量残余奥氏体的组织。

3）实验钢经920℃奥氏体化具有很好的强韧配合：硬度≥53 HRC；αK≥23 J/cm2.

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