ASTM 4145H鋼中的白塊組織

彭努淵 李玉明

(河南中原特鋼股分有限公司，河南454685)

我公司生產的鉆具用鋼ASTM 4145H在進行力學性能試驗時，發現沖擊韌性不穩定，其韌性值時好時壞。為尋求原因進行了多次試驗分析：第一次選取了?159 mm，爐號為217089和217745的兩爐沖擊韌性相差較大的鍛件進行對比分析；第二次對另一支?203 mm的鍛件同一橫截面不同位置的力學性能、金相組織進行了對比分析。

1 試驗

1.1 試樣的選取及化學成分

在經調質熱處理后沖擊功有明顯區別的兩爐鍛件上選取試樣，其調質熱處理工藝為840℃淬火，580℃回火。

兩爐鍛件的化學成分見表1。

表1 化學成分(質量分數，%)Table 1 The chemical composition (mass fraction, %)

從表1可看出其化學成分均在要求的合格范圍內。

1.2 力學性能

拉伸試樣及沖擊試樣的取樣位置均為?115 mm處，其檢測結果見表2。

從表2可看出兩爐屈服強度和抗拉強度相差較小，延伸率和面縮也接近，沖擊韌性則相差較大。

表2 力學性能Table 2 The mechanics performance

1.3 金相觀察

非金屬夾雜物檢測：取217089爐的沖擊試樣T-14和217745爐的T-30，磨制拋光后按照GB/T10561—2005評定非金屬夾雜物，結果見表3。

從表3可看出，兩爐試樣的非金屬夾雜物級別基本相同。

金相組織觀察：所取試樣T-14和T-30經4%硝酸酒精腐蝕后觀察，兩試樣的顯微組織有明顯的區別。T-14的金相組織中除回火索氏體外，還有較多的白塊組織，見圖1所示。而T-30的金相組織則大部分是回火索氏體和少量的白塊組織，見圖2所示。

白塊組織的外形不規則，界面輪廓不清，白塊內有隱約可見的點狀、條狀析出物。從其形態來判斷白塊組織是區別于鐵素體和馬氏體的貝氏體組織。有關資料[1]介紹，這種貝氏體有的屬于上貝氏體組織，有的屬于粒狀貝氏體組織。

表3 非金屬夾雜物Table 3 Non metallic inclusions

圖1 T-14金相組織(500×) 圖2 T-30金相組織(500×) Figure 1 T-14 microstructure Figure 2 T-30 microstructure

另外，在顯微鏡100倍下觀察，白塊組織有呈條帶分布的特征，見圖3。為驗證此結論，分別找出沖擊韌性好與沖擊韌性差的兩組試樣，每組五個試樣進行觀察對比，發現沖擊韌性差的試樣均存在不同程度的帶狀偏析，而沖擊韌性好的試樣帶狀偏析程度相對較輕。

晶粒度觀察：兩試樣經飽和的苦味酸煮沸后觀察其晶粒度，T-14的晶粒度為8～9級，T-30的晶粒度為8.5～9.5級。晶粒度差別不大，這說明兩個試樣沖擊韌性的不同并非由晶粒度造成。

從以上的觀察分析認為，造成兩爐鍛件沖擊功明顯差別的主要原因是白塊組織即貝氏體組織。白塊組織的形成與鋼中帶狀偏析有關，同時通過對生產過程的調查及分析判斷白塊組織的形成主要與淬火冷卻速度有關。

2 不同位置的對比分析

為進一步證實白塊組織的形成原因 ，在?203 mm的ASTM 4145H鉆具同一橫截面的外、中、內三個位置處，分別取試樣進行力學性能測試和金相組織觀察。

2.1 力學性能

由于工件帶一?70 mm內孔，所以試樣分別取自于外邊緣，二分之一壁厚和內壁處，力學性能測試結果見表4。

從表4可看出，從外到內的整體力學性能指標均有所下降。

2.2 金相觀察

顯微鏡下觀察外邊緣位置的試樣金相組織全部是回火索氏體，1/2壁厚處的組織除回火索氏體外，還有少量的白塊組織(回火貝氏體)，內部試樣的白塊組織(回火貝氏體)則更多一些，見圖4、圖5、圖6。以上說明白塊組織的多少與所在的位置有關，另外白塊組織仍呈帶狀分布特征。

表4 力學性能Table 4 The mechanics performance

圖3 帶狀組織(100×) 圖4 外邊緣組織(500×) Figure 3 Banded structure Figure 4 The outer edge structure

圖5 1/2壁厚組織(500×) 圖6 內壁組織(500×) Figure 5 The structure at 1/2 wall thick Figure 6 Inner wall structure

3 分析與討論

從以上分析可看出，沖擊功差別較大的兩爐試樣取樣位置完全一致，夾雜物、晶粒度、化學成分均相差不大，那么兩試樣區別較大的就是白塊組織數量的多少，換言之就是說白塊組織是影響其沖擊韌性的主要原因。白塊組織多，其沖擊韌性就低，白塊組織少，其沖擊韌性就高。另外從同一橫截面不同位置進行的力學性能測試和金相組織觀察同樣可以證明，白塊組織多的部位力學性能差這一結論。

由于是大件調質熱處理，在淬火冷卻時，工件心部位置的冷卻速度肯定比表面的冷卻速度慢，表面區域進行了馬氏體組織轉變，而心部區域則落在了貝氏體轉變區，從而得到了貝氏體組織。

上述的白塊組織在工件心部和中部位置存在，有數量上的差別而且還呈條帶分布的特征，說明原始組織中存在有一定的帶狀偏析。有資料介紹[2]，原始狀態的成分偏析和帶狀組織也是形成白塊組織的重要原因。原始狀態帶狀組織嚴重，在熱處理時，鐵素體帶在加熱時雖有碳的擴散，但仍屬于低碳區，低碳奧氏體區易形成貝氏體組織，即所指的白塊組織。貝氏體性能決定于貝氏體的本質、形態、大小、分布狀態及貝氏體與其它組織的相對量。上貝氏體碳化物的分散度小，分布又不均勻，以致性能很差，其強度甚至低于同一溫度下形成的細珠光體，韌性更低。而粒狀貝氏體的強度主要決定于粒狀貝氏體中的“小島”，無論是奧氏體或“M-A”，還是奧氏體的分解產物都起著復相強化的作用。這些組織的綜合因素最終導致其“白塊組織”對力學性能的影響[3]。

4 結論與建議

造成ASTM 4145H鋼力學性能差的主要原因是由于組織中存在較多的“白塊組織”，即貝氏體組織。貝氏體的本質、形態、大小、分布狀態及貝氏體與其它組織的相對量影響著其力學性能。為了使力學性能達到技術要求，根據“白塊組織”的形成原因，建議生產上可通過減少原始狀態的成分偏析和帶狀組織，熱處理時加快冷卻速度，盡量避開貝氏體轉變區域，使“白塊組織”的量降到最低程度，從而提高鋼的整體力學性能。

[1] 周鹿賓，陳產海.40CrNiMo鋼白塊組織及其對性能的影響.理化檢驗，1982，(04)：8-12.

[2] 安正昆，鋼鐵熱處理.長治機電工業學校.

[3] 史美堂，金屬材料與熱處理.上海科技技術出版社，1983.6.