回火对不同Cr、Al和Mn含量超级贝氏体钢组织和性能的影响

张 月，李青春，常国威



回火对不同Cr、Al和Mn含量超级贝氏体钢组织和性能的影响

张 月，李青春，常国威

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001）

利用金相和扫描电镜等实验方法，研究了回火对不同Cr、Al和Mn含量超级贝氏体钢组织和性能的影响。结果表明：在回火处理试验温度范围内，随回火温度的提高，试样的硬度呈现先增加后降低的规律。Cr的添加使超细贝氏体钢的回火稳定性提高。在相同的回火处理实验温度下1%Cr钢的磨损量总体上多于0%Cr钢，说明Cr的添加使磨损量增加，耐磨性能降低。Mn和Al含量的增加，贝氏体钢回火稳定性没有发生变化，但贝氏体钢在更高温度保持耐磨性能的稳定。

贝氏体；回火稳定性；组织；力学性能

贝氏体钢因具有较高的强度和良好的韧性等优点[1]一直受到钢铁材料界的关注。具有代表性的有Mn-B系贝氏体钢[2]和Si-Mn-Mo系贝氏体钢[3]，目前已在工程机械、造船等行业得到应用[4]。近年来，剑桥大学Bhadeshi教授等[5]研发了一种强度达2 500 MPa的贝氏体钢，其同时具有极高的强度和良好的韧性，被称为超级贝氏体钢（Super bainitie steels）。超级贝氏体组织因其具有优异的力学性能而得到广泛研究[6]，这种新型钢种的组织特征是其组成相主要由贝氏体铁素体（BF）和残余奥氏体（AR）两相组成[7]。已有研究表明，通过加入一定量的Si可抑制贝氏体相变时渗碳体析出[8-9]，而获得这种组织。这种组织的发现使纳米技术在大尺寸钢铁领域得到了应用[10]。回火处理是提高贝氏体钢综合力学性能的重要手段。本文主要研究了3种成分不同的试验钢，通过等温淬火获得超级贝氏体组织后再进行回火，研究回火对不同Cr、Al和Mn含量超级贝氏体钢组织和性能的影响。

1 实验材料与方法

实验设置了3组对照试验，其化学成分如表1所示。将3组试样随炉加热到950 ℃保温20 min奥氏体化处理后，迅速放入270 ℃的盐浴炉内保温2 h后空冷。然后将得到的试样分别在400、450、500、550、600 ℃和650 ℃的温度下进行回火，回火时间为1 h。利用Axiovert 200 MAT蔡司显微镜和S-3000N扫描电子显微镜进行组织观察，采用HR-1500DT型洛氏硬度计和MRH-01A型环块摩擦试验机分别测量试样的洛氏硬度值和耐磨性能。

表1 实验钢的化学成分 （质量分数%）

2 实验结果与分析

2.1 回火对超级贝氏体钢组织的影响

试验钢回火前的金相组织如图1所示。从图中可以看出，实验钢经270 ℃盐浴保温处理后的组织为复相组织，其中黑色针状组织为贝氏体，白色组织为未转变的残余奥氏体和少量的马氏体组织。从显微组织可以看出，实验钢在270 ℃下得到的贝氏体片层宽度基本都小于200 μm，即为超细结构贝氏体组织。而得到的残余奥氏体为薄膜状和小的块状。

(a) 1号钢

(b) 2号钢

(c) 3号钢

从图1(a)和(b)可以看出，2号钢中的超级贝氏体量明显少于1号钢中的，说明加入Cr元素的2号钢中生成的超细贝氏体量明显比不加Cr元素的量少，表明Cr的加入阻碍奥氏体向超细贝氏体的转变。从图1(a)和(c)可以看出，与3号钢相比，1号钢中形成贝氏体的量少，白色未转变的残余奥氏体的量多，说明Mn和Al含量的增加抑制了等温超细贝氏体的形成。

图2为试验钢在500 ℃保温1 h回火后的组织扫描电镜（SEM）照片。可以看出，经回火处理后组织形貌变化很小，基本仍为束状形态（贝氏体铁素体板条），有细小的碳化物弥散析出，白色块状残余奥氏体开始分解。2号钢中的残余奥氏体转变量和碳化物析出量很少，与1号钢相比两者的形态变化并无明显的差别（图2(a)和2(b)），说明Cr元素的加入对于残余奥氏体分解生成碳化物的影响不明显。对于不含Cr的1号钢和3号钢，残余奥氏体在贝氏体铁素体板条上均析出细小的碳化物，此时析出量很少，贝氏体束的形态仍然显现，残余奥氏体开始分解（图2(b)和2(c)）。

(a) 1号钢

(b) 2号钢

(c) 3号钢

图3为1号钢分别在500、550、600 ℃和650 ℃保温1 h回火处理后的金相组织。可以看出，不加Cr的1号钢在500 ℃回火时，组织形貌仍为贝氏体铁素体板条，残余奥氏体转变量和碳化物析出量很少。在550 ℃回火时，碳化物开始聚集球化长大，但分布不够均匀。随着回火温度的增加，残留奥氏体分解的更加显著，贝氏体束或者马氏体束特征不明显，界面更加模糊，贝氏体铁素体组织进一步粗化，碳化物析出量逐渐增多，聚集球化均匀长大。

图3 1号钢钢不同回火温度处理后的金相组织

（a）500 ℃（b）550 ℃（c）600 ℃（d）650 ℃

2.2 回火对超级贝氏体钢力学性能的影响

图4为不同温度回火处理后试样硬度与回火温度的关系曲线。可以看出，随着回火温度的升高，三种钢都呈现硬化—软化的变化规律。在回火初期钢的硬度都有所增加，这是由于析出的非常细小的碳化物可以发生二次硬化的效果。随着回火温度的增加，硬度持续下降。1号钢和2号钢回火处理后硬度值与回火处理前试样的硬度相比，含1%Cr的2号钢经400、450 ℃和500 ℃回火处理后硬度值增加，回火温度为500 ℃时，硬度值开始下降。而含0%Cr的1号钢，400 ℃和450 ℃回火处理后硬度值增加，回火温度为450 ℃时，硬度值开始下降。说明含Cr钢的回火稳定性高于不含Cr钢，即Cr的添加使超细贝氏体钢的回火稳定性提高。

比较1号钢和3号钢可以看出，这两种钢与回火处理前试样的硬度相比，含1%Mn和1%Al的1号钢和含0.45%Mn和0.78%Al的3号钢经400 ℃、450 ℃回火处理后硬度值增加，在450 ℃时达到硬度最大值分别为56 HRC和57.9 HRC，回火温度为450 ℃时，硬度值均开始下降。表明Mn和Al含量的增加，钢在相同回火温度保持高硬度，回火稳定性没有发生变化。回火温度继续增加，实验钢的硬度逐渐下降。

图4 贝氏体钢的硬度与回火温度的关系曲线

图5 为不同温度回火处理后贝氏体钢的磨损量与回火温度的关系曲线。可以看出，三种钢的磨损量与回火温度的关系曲线变化趋势总体上都是呈现降低—增加—降低的趋势，这是因为在回火初期实验钢由于析出非常细小的碳化物发生二次硬化，硬度增加，磨损量降低，后随着回火温度的增加，硬度下降，所以磨损量增加并达到一个最大值，耐磨性能最差，当回火温度达到600 ℃和650 ℃时磨损量又降低的原因是碳化物析出，聚集长大到一定尺寸，且均匀分布，使耐磨性能提高。

比较1号钢和2号钢回火处理后的磨损量发现，与回火处理前试样的磨损量相比，含0%Cr的1号钢和含1%Cr的2号钢经400、450 ℃和500 ℃回火处理后均因试样硬度增加，磨损量降低，耐磨性能提高，两种钢在500 ℃回火磨损量都达到了最低值，23.4 mg和11.1 mg，耐磨性能最好。在500℃~650 ℃回火处理磨损量先增加后降低。0%Cr钢在回火温度为600 ℃时，磨损量最大为45.2 mg，1%Cr钢在回火温度为550 ℃时，磨损量最大为85.4 mg，耐磨性能最差。由图可以看出多数情况下1%Cr钢的磨损量多于0%Cr钢，说明Cr的添加使磨损量增加，耐磨性能降低。

比较1号钢和3号钢的磨损量发现，与回火处理前试样的磨损量相比，两种钢经400、450 ℃和500 ℃回火处理后试样因硬度高磨损量降低，耐磨性能提高。3号钢在回火温度为550 ℃时，磨损量最大，达到52.7 mg，耐磨性能最低，而1号钢在回火温度为600 ℃时，磨损量最大，耐磨性能最低。可见，从耐磨性能看，Mn和Al含量的增加，使钢在更高温度保持耐磨性能的稳定。

图5 贝氏体钢的磨损量与回火温度的关系曲线

3 结论

（1）试验钢回火前为贝氏体、残余奥氏体和少量马氏体的复相组织。回火后仍为束状形态（贝氏体束和马氏体束）,有细小碳化物析出，随着回火温度的升高，残余奥氏体分解量越来越多，碳化物逐渐聚集长大和球化，组织界面逐渐模糊。

（2）3种贝氏体钢在回火处理试验温度范围内，试样的硬度呈现先增加后降低的规律。含1%Cr的 2号钢回火温度为500 ℃时，硬度值开始下降。含0%Cr的1号钢回火温度为450 ℃时，硬度值开始下降。说明Cr的添加使超细贝氏体钢的回火稳定性提高。含1%Mn和1%Al的1号钢和含0.45%Mn和0.78%Al的3号钢经400 ℃、450 ℃回火处理后硬度值增加，在450 ℃时达到硬度最大值后，硬度值均开始下降。表明Mn和Al含量的增加，钢在相同回火温度保持高硬度，回火稳定性没有发生变化。

（3）在相同的回火处理实验温度下含1%Cr的2号钢的磨损量总体上多于含0%Cr的1号钢，说明Cr的添加使磨损量增加，耐磨性能降低。含0.45%Mn-0.78%Al的3号钢在回火温度为550℃时，磨损量最大，耐磨性能最低，含1%Mn-1%Al的1号钢在回火温度为600 ℃时，磨损量最大，耐磨性能最低，可见，Mn和Al含量的增加，使钢在更高温度保持耐磨性能的稳定。

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责任编校：刘亚兵

Effect of Tempering on the Microstructure and Properties of Super Bainitic Steel in Different Contents of Cr, Al and Mn

ZHANG Yue, LI Qing-chun, CHANG Guo-wei

（School of Materials Science and Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

The effect of tempering on the microstructure and mechanical properties of super bainitic steel in different contents of Cr, Al and Mn were investigated by optical microscopy (OM) and scanning electron (SEM). The results show that hardness of specimen increases first and then decreases when super banitic steel is treated at different tempering temperature. Adding Cr element can improve the tempering stability of super bainitic steel. The wear loss of 1% Cr bainitic steel is more than that of 0% Cr bainitic steel integrally at the same tempering temperature. It illustrates that adding Cr increases wear loss and decreases wear resistance. The tempering stability of bainitic steel has no change with the increase of Mn and Al content, but the stability of wear resistance can be maintained at higher temperature.

bainite; tempering stability; microstructure; mechanical property

10.15916/j.issn1674-3261.2017.04.013

TG142.2

A

1674-3261(2017)04-0268-04

2017-02-17

辽宁省教育厅重点实验室项目（LZ2015046）

张 月(1991-)，女，辽宁绥中人，硕士生。李青春(1972-)，女，辽宁锦州人，教授，博士。