等温处理对新型高强钢力学性能和绝热剪切行为的影响

王琳， 杜文文， 姚春发， 程兴旺

(1.北京理工大学 材料学院，北京 100081；2.冲击环境材料技术国家级重点实验室，北京 100081；3.钢铁研究总院，北京 100081)

等温处理对新型高强钢力学性能和绝热剪切行为的影响

王琳1，2， 杜文文1，2， 姚春发3， 程兴旺1，2

(1.北京理工大学 材料学院，北京 100081；2.冲击环境材料技术国家级重点实验室，北京 100081；3.钢铁研究总院，北京 100081)

为了使新型高强钢更好地在冲击领域得到应用，采用等温盐浴方法对新型高强度钢进行热处理. 通过OM、SEM、TEM对材料的微观组织进行观察，采用万能试验机对材料进行准静态拉伸力学性能测试，通过分离式霍普金森压杆(SHPB)对材料进行动态性能测试并捕捉临界应变率下萌生发展的绝热剪切带形貌. 研究结果表明：随着等温温度的升高，对应材料的主要组织由马氏体+下贝氏体，马氏体+下贝氏体+上贝氏体变化为马氏体+上贝氏体，材料的屈服强度和塑性逐渐降低. 330℃等温处理的材料绝热剪切带萌生的临界应变率为3种等温处理材料中最低，上贝氏体组织的出现使材料对绝热剪切变形的敏感性降低.

贝氏体；等温热处理；绝热剪切带；动态力学性能

低合金高强度钢具有较高的强度和良好的塑韧性，目前国内外主要研究的低合金高强度钢有30CrMnSiNi2A、35Si2Mn2MoVA、AISI4340、300M、AerMet100、G50、G99等[1]. 合金钢在高应变率冲击条件下表现出的力学性能与准静态加载条件差异很大；Lee等[2]研究了AISI4340 钢在高温和高应变速率下的塑性变形行为，研究发现钢的流变应力随着应变率的增大而增大，随着温度的升高而降低；武海军等[3-4]对30CrMnSiNi2A进行动态性能研究，发现该材料表现出了一定的应变率敏感性.

绝热剪切带是材料在高应变率条件下发生破坏的主要形式[5-7]. Odeshi等[8]发现材料的微观组织对绝热剪切出现的临界应变有明显影响. 徐永波等[9-10]选择低碳钢材料进行动态试验，研究表明淬火马氏体钢较珠光体钢具有较高的剪切带形成敏感性. 马氏体/贝氏体复相钢具有良好的强韧性结合[11]，但目前贝氏体对绝热剪切带形成影响的报道较少.

本文针对新型高强度钢，采用等温盐浴热处理方法，通过改变淬火温度和盐浴温度，获得了具有不同组织结构和力学性能的材料. 采用霍普金森压杆对材料进行动态加载，通过微观组织的观察和绝热剪切带的捕捉，研究贝氏体组织和含量的变化对材料力学性能和绝热剪切行为的影响.

1 实验材料与方法

本文采用的材料为新型高强度钢，含碳量约为4%，合金质量分数小于5%，马氏体转变开始温度330 ℃，淬火温度设置为880和900 ℃，查阅相关资料[12]设定等温盐浴处理的温度分别为330，350和380 ℃，具体热处理工艺方案设计如表1所示.

表1 等温热处理工艺参数设定

本文对热处理后的试样进行准静态拉伸力学性能测试，材料的动态力学性能采用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行测试，试样尺寸为φ4 mm×4 mm. 采用OM、SEM和TEM对材料的组织结构进行微观观察. 贝氏体含量的定量金相测量方法使用Adobe Photoshop软件，采用网格划分的统计方法对15张SEM照片进行处理得到.

2 实验结果与讨论

2.1 准静态拉伸力学性能

图1为热处理后材料的准静态拉伸测试结果. 可以看出，随着等温温度的升高，材料的屈服强度逐渐下降，断后伸长率无明显变化，断面收缩率逐渐降低. 说明在相同淬火温度下，随着等温温度的升高，材料的屈服强度和塑性都逐渐下降.

2.2 显微组织观察

图2为不同热处理制度处理后材料的OM和SEM微观组织形貌. 综合对比分析可以看出，在相同的等温温度处理时，淬火温度为900 ℃对应的试样平均晶粒尺寸比880 ℃的试样明显变大. 这是由于在加热速度与加热时间一定的情况下，加热温度越高，实际形成奥氏体的晶粒越粗大，在冷却条件相同的情况下，最终形成的晶粒也较大. 在相同淬火温度处理下，随着等温温度的升高，试样的平均晶粒尺寸也逐渐增大. 分析认为在相同的淬火温度下，随着等温温度的提高，奥氏体冷却的速率有所降低，导致最终晶粒尺寸变大.

通过TEM的观察分析可以发现，等温温度为330 ℃的C-1和C-2试样微观结构主要由下贝氏体和马氏体组成，同时含有一定量的残余奥氏体和析出碳化物，其下贝氏体和板条马氏体形貌如图3(a)和3(b)所示. 图3(c)为C-1内的孪晶结构，说明该试样组织结构中也存在片状马氏体[12]. 由于下贝氏体中碳化物颗粒较小且数量较多，使位错运动遇到更大的阻力，同时下贝氏体中存在更高的位错密度，使位错更容易缠结在一起，从而使得下贝氏体具有较高的强度和良好的韧性，在与板条马氏体的共同作用下，使C-1和C-2具有优异的强度和塑性.

等温温度为350 ℃的C-3和C-4试样的微观组织主要由上贝氏体和马氏体及少量的下贝氏体组成，在光学显微镜下大部分上贝氏体呈羽毛状分散在晶界周围，少量分散在晶粒内部. C-3中上贝氏体体积分数约占11%，C-4中上贝氏体体积分数较少，体积分数约占4%. C-4的上贝氏体形貌和下贝氏体形貌如图4所示. 等温温度为380 ℃的C-5和C-6试样的微观组织主要由上贝氏体、马氏体和残余奥氏体组成，上贝氏体大块地分布在晶界周围，在C-5中上贝氏体体积分数约占24%，C-6中上贝氏体体积分数约占19.5%，C-6中上贝氏体形貌及孪晶形貌如图5所示.

由于上贝氏体中碳化物较为粗大，呈连续状分布在铁素体条之间，使得上贝氏体的强度和塑性都有所降低，导致C-3～C-6的强度和塑性比C-1和C-2明显下降. 随着等温温度的升高，上贝氏体体积分数增加，材料晶粒尺寸变得粗大，同时没有观察到下贝氏体组织的存在，使得C-5和C-6的屈服强度与塑性比C-3和C-4有所降低.

2.3 动态力学性能和绝热剪切带观察

本文采用分离式霍普金森压杆对不同热处理制度下的高强度钢进行动态压缩力学性能测试. 图6为900 ℃淬火时，3种试样在4 000 s-1应变率冲击载荷作用下得到的真应力-应变曲线. 可以看出330 ℃等温处理的试样，动态屈服强度最高，加载结束后应变量最小. 380 ℃等温处理的试样，对应动态加载下的屈服强度最小，加载结束后的应变量较大. 在高应变率载荷冲击下，材料的应力-应变曲线由应变率强化效应、应变硬化效应和热软化效应共同决定. 与下贝氏体相比，上贝氏体中位错密度较低，导致其应变硬化效应变差[13]. 同时在相同应变率载荷冲击下，上贝氏体中位错出现和缠结的速度也降低，使材料的应变率强化效应减弱，最终导致350 ℃和380 ℃等温处理的试样动态力学性能下降.

绝热剪切带是引起材料在高应变率下破坏的主要因素，ASB出现的临界应变率大小可以反映材料对绝热剪切变形的敏感程度. 表2为6种不同热处理工艺的材料出现绝热剪切带的临界应变率和剪切带特征描述.

表2 不同热处理制度下绝热剪切带特征

Tab.2 Characteristics of ASBs in the steel treated with different heat treatment procedures

热处理ASB出现临界应变率/s-1ASB形貌特征880℃淬火,330℃等温(C-1)4600剪切带在端部分叉900℃淬火,330℃等温(C-2)4400剪切带两侧有明显形变区880℃淬火,350℃等温(C-3)5200剪切带的端部产生微小裂纹900℃淬火,350℃等温(C-4)5300形变带,端部有白亮带880℃淬火,380℃等温(C-5)5000形变带,端部有白亮带900℃淬火,380℃等温(C-6)5000近乎平行的两条剪切带同时出现,端端有形变带

图7为临界应变率下出现的绝热剪切带的形貌图.

从表2和图7可以看出，等温温度为350 ℃和380 ℃时(C-3～C-6)，材料出现绝热剪切带的临界应变率高于330 ℃(C-1和C-2 )处理材料. 分析认为，下贝氏体中碳化物颗粒细小且弥散分布于铁素体条内，同时内部有大量的位错，导致当位错运动时，位错塞积的数量及位错塞积崩塌所需的应力都很大. 当外界载荷的冲击应力超过临界应力时，位错塞积崩塌，在材料内部的局部区域易产生较大的应力集中和高密度的自由位错，自由位错在剪应力的作用下运动，最终形成局部区域的应力应变高度集中区，在达到一定的临界条件下就会失稳形成绝热剪切带[14]. 而上贝氏体中碳化物颗粒较为粗大且位错数量减少，应力应变高度集中区域不易形成，导致剪切带需在更高的应变率下形成.

在形成上贝氏体的试样中，随着等温温度的降低，上贝氏体中铁素体条变薄，渗碳体更加细化，有效地阻止了位错的运动，使形成剪切带的局域化塑性变形较难进行，所以等温温度为350 ℃的试样中ASB出现的临界应变率略高于380 ℃.

3 结 论

本文采用等温盐浴方法对新型高强钢进行热处理，通过对材料微观组织的观察分析，获得了贝氏体的种类和数量对材料准静态力学性能、动态力学性能和绝热剪切行为的影响，得出以下主要结论：

① 相同淬火温度下，随着等温温度的升高(330～380 ℃)，对应材料的主要组织为马氏体+下贝氏体，马氏体+下贝氏体+上贝氏体和马氏体+上贝氏体，材料的屈服强度和塑性逐渐下降；

② 相同应变率(4 000 s-1)加载条件下，900 ℃淬火/330 ℃等温处理材料的屈服强度高于900 ℃淬火/350 ℃等温和900 ℃淬火/380 ℃等温，下贝氏体提高了材料的动态屈服强度；

③ 等温温度为350和380 ℃处理的材料萌生绝热剪切带的临界应变率大于330 ℃处理材料，上贝氏体的出现使材料对绝热剪切变形的敏感性降低.

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(责任编辑：李兵)

Isothermal Heat Treatment on Mechanical Properties and Adiabatic Shear Behavior of a New High-Strength Steel

WANG Lin1，2, DU Wen-wen1，2, YAO Chun-fa3, CHENG Xing-wang1，2

(1.School of Materials Science & Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081， China;2.National Key Laboratory of Science and Technology on Materials Under Shock and Impact,Beijing 100081，China; 3.Central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081， China)

To make a new high strength steel be better applied in impacting environment, an isothermal salt bath method was proposed for its heat treatment. The microstructure of the material was observed by OM,SEM and TEM. The quasi-static tensile properties were tested by a universal testing machine and the dynamic properties were tested by split Hopkinson pressure bar (SHPB). Meanwhile the nucleation of adiabatic shear bands (ASBs) under critical strain rates was obtained. Experimental results show that, with the increasing of isothermal temperature, the main microstructure is changed from martensite + lower bainite, martensite + lower bainite + upper bainite to martensite + upper bainite, and the yield stresses and toughnesses decline gradually. The critical strain rate for the nucleation of ASBs of the steel treated at 330 ℃ isothermal temperature is the lowest. The appearance of upper bainite makes the high strength steel less sensitive to the nucleation of adiabatic shear bandings.

bainite microstructure; isothermal heat treatment; adiabatic shear band; dynamic mechanical property

2015-07-19

王琳(1971—)，女，博士，副教授，E-mail：linwang@bit.edu.cn；杜文文(1991—)，女，硕士生，E-mail：bitwwd@163.com.

TG 142.1

A

1001-0645(2016)12-1315-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.12.020