40Cr钢等温淬火形成的下贝氏体组织形貌特征

陈洁明,李雪峰,2,王 刚,潘恒沛,张先锋

(1.中国船舶重工集团公司 第七二五研究所,洛阳 471023；2.河南省船舶及海工装备结构材料技术与应用重点实验室,洛阳 471023；3.洛阳双瑞万基钛业有限公司,洛阳 471000)

40Cr钢是一种中碳低合金高强钢，具有良好的淬透性，优良的机械加工性能，较好的氮化、高频等表面热处理性能和可焊性，经调质处理后具有优异的综合力学性能、低温冲击韧性和较低的缺口敏感性，广泛应用于中等或较高负荷、中等转速的机械零件制造中，是轴类、连杆、齿轮、紧固件等零件的常用原材料，也可用作冷镦模具钢。40Cr钢是使用最多的钢种之一，价格较低、性价比较高，是机械制造行业不可或缺的金属材料。

40Cr钢常用的热处理工艺是淬火+高温回火调质处理，调质处理中的裂纹和变形缺陷会引起工件报废。近些年来，不同钢种贝氏体的转变、性能研究受到了广泛关注[1-3]，尤其是中碳低合金钢的贝氏体化研究。研究表明，马氏体与少量下贝氏体的复相组织可以在不明显降低材料强度的条件下，改善材料的韧性[4-5]。等温淬火处理可获得以下贝氏体为主的显微组织，虽然材料的强度略有下降，但是韧性却有较大的提高，同时等温淬火处理还可以有效降低工件的变形量，是结构复杂、薄壁零件的理想热处理工艺，例如一些40Cr钢零件便是采用等温淬火工艺来获得以下贝氏体为主的显微组织[6-7];但下贝氏体的形貌特征与上贝氏体、回火索氏体非常相近，难以辨认，给金相检验工作带来了一定的困难。笔者对经不同热处理工艺后的40Cr钢显微组织进行了分析，阐述了下贝氏体的形貌特征，以明确下贝氏体与其他组织的不同之处，从而为增强下贝氏体显微组织形貌的辨认提供理论基础。

1 试验设备及材料

1.1 试验设备

采用Agilent 5110SVDV型电感耦合等离子体发射光谱仪和CS800碳硫分析仪进行化学成分分析，采用OLYMPUS GX71型光学显微镜、Thermo Scientific Scios 2型扫描电镜(SEM)和JM200型透射电子显微镜(TEM)进行微观分析，采用VH3300型显微硬度计进行硬度测试。

1.2 试验材料

40Cr钢的化学成分分析结果如表1所示，可见40Cr钢的化学成分满足GB/T 3077—2015 《合金结构钢》的要求。

40Cr钢的下贝氏体转变温度为330～360 ℃[3]。取40Cr钢棒料2根，分别编号为1#和2#，直径均为20 mm，长度均为100 mm。1#试样的热处理工艺为等温淬火处理，加热温度为(850±10) ℃，保温时间为60 min，防脱碳保护，(340±10) ℃盐浴等温30 min后空冷，(200±10)℃回火60 min。2#试样的热处理工艺为调质处理，加热温度为(850±10) ℃，保温时间为60 min，防脱碳保护，出炉油冷，(520±10) ℃回火60 min。

表1 40Cr钢的化学成分分析结果 %

2 试验结果

2.1 金相检验

在1#，2#试样上截取长度为20 mm的试样，将试样的截面磨削、抛光后，用4%(体积分数)硝酸乙醇溶液侵蚀，然后进行金相检验，1#，2#试样的显微组织形貌如图1所示。由图1可知：1#试样的显微组织主要为下贝氏体+马氏体+上贝氏体+残余奥氏体，组织有明显的色彩，针状特征明显，多条针状组织密集排列成束，方向感强烈，图1a)中蓝色块状区域为少量的上贝氏体，白色区域为少量的残余奥氏体，黄褐色短针状组织为马氏体，其余大部分黑蓝色针状组织为下贝氏体；2#试样的显微组织为回火索氏体+少量残余奥氏体，试样整体呈灰色，虽然大部分区域也呈板条状，但针状特征和方向感不明显。

图1 1#，2#试样的显微组织形貌

2.2 SEM分析

将1#，2#试样侵蚀后进行SEM分析，结果如图2所示。由图2可知：1#试样主要为针状贝氏体+铁素体+部分板条马氏体，铁素体上有条状碳化物分布，碳化物排列方向与铁素体长轴夹角约为60°，且大多在原奥氏体晶界形核长大，而马氏体中大多是板条状碳化物，方向感明显；2#试样组织中的碳化物经过回火处理，扩散较充分，组织中有较多弥散分布的颗粒状碳化物，碳化物取向特征不如1#试样明显。

图2 1#，2#试样的SEM形貌

2.3 TEM分析

在1#，2#试样上分别取1 mm厚的薄片进行TEM分析，结果如图3,4所示。由图3,4可知：1#试样大部分区域为下贝氏体，形貌特征为成排的板条铁素体上分布着长条状碳化物，碳化物排列方向与铁素体长轴的夹角约呈60°，还有少量马氏体+残余奥氏体；2#试样为板条铁素体上弥散分布着颗粒状碳化物。1#，2#试样的TEM形貌有较大的差异。

图3 1#试样的TEM分析结果

图4 2#试样的TEM分析结果

2.4 电子背散射衍射(EBSD)分析

对1#，2#试样进行EBSD分析，结果分别如图5,6所示，其中1#试样中残余奥氏体和上贝氏体很少，未能有效检出，可以忽略不计。图5a),5b)分别为1#试样的晶粒取向分布和衍射花样质量，可见马氏体的碳过饱和度较高及晶格畸变较大，EBSD衍射花样质量较差，在衍射花样质量图中趋近于灰黑色，而下贝氏体呈偏灰白色。将1#试样马氏体和下贝氏体的灰度进行统计，以确定1#试样的灰度临界值[8]，经软件进行处理后得到1#试样的衍射花样质量统计图[(见图5c)]，可得1#试样中下贝氏体含量约为88.1%，马氏体含量约为11.9%。对比图5和图6可知，1#试样的组织有明显的针状特征，两端较为尖锐，方向感强烈，而2#试样组织的针状特征不如1#试样明显，两端圆钝，方向感较差。

图5 1#试样的EBSD分析结果

图6 2#试样的EBSD分析结果

2.5 显微硬度测试

依据GB/T 4340.1—2009 《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》，分别对1#，2#试样进行显微硬度测试，结果如表2所示，可以看出1#试样的硬度明显高于2#试样。

表2 1#，2#试样的显微硬度测试结果 HV

3 综合分析

40Cr钢常用的热处理工艺为调质处理，显微组织是较为熟悉的回火索氏体。40Cr钢的等温淬火工艺应用相对较少，因此，经该工艺处理后产生的下贝氏体形貌特征较为陌生。由金相检验结果可知，下贝氏体和回火索氏体的显微组织形貌非常相似，但是下贝氏体侵蚀后有明显的色彩效果和较明显的针状特征，且针状组织密集排列成束，方向感强烈[9-11]。由TEM分析结果可知，下贝氏体与回火索氏体的基体都呈板条状，但是碳化物的分布是有明显区别的，下贝氏体碳化物分布与铁素体板条长轴的夹角呈60°，而回火索氏体的碳化物是弥散分布的。由硬度测试结果可知，下贝氏体的硬度明显高于回火索氏体。

下贝氏体和板条马氏体的晶体学特征具有相似性[12]，中低合金钢的板条马氏体间、板条马氏体与奥氏体间的位向关系同下贝氏体的位向完全相同，且二者组织形貌相似，组织辨别困难。虽然下贝氏体与马氏体有着晶体学的相似性，但二者有不同的相变过程，下贝氏体的转变温度比马氏体高，马氏体从高温冷却到低温时是切变形成，无扩散性，属于含碳的过饱和固溶体；而下贝氏体形成过程伴随着碳元素的扩散，会发生碳化物沉淀，属于铁素体和碳化物组成的混合物。下贝氏体的显微组织呈针状，马氏体的显微组织呈板条状，二者碳化物分布不一样，下贝氏体的碳化物分布与铁素体板条长轴夹角呈60°，而马氏体是碳的过饱和固溶体，没有碳化物析出。

4 结语

40Cr钢经等温淬火后产生的下贝氏体组织有较明显的色彩效果和针状特征，细针状组织密集排列，方向感强烈。下贝氏体的TEM形貌特征为条状铁素体上沉淀有细密的长条状碳化物，排列整齐，与铁素体长轴的夹角呈60°。下贝氏体的硬度明显高于回火索氏体。40Cr钢的等温淬火组织中下贝氏体含量较多，约为88.1%，马氏体含量约为11.9%。