冷卻速度對42CrMoA鋼顯微組織與硬度的影響

龍松朋，周旭東，王云飛

(1.河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽471023;2.中國一拖集團有限公司鍛造廠，河南洛陽471004)

0 引言

42CrMoA鋼在高溫時有高的持久強度，調質處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，因此得到了廣泛的應用[1-3］。鋼的過冷奧氏體連續冷卻相轉變曲線(CCT曲線)是分析熱處理組織和性能變化的重要依據，而標明各冷卻規范下的組織相對含量，使CCT曲線能更確切地應用于組織分析，可以更好地挖掘常溫下其潛在性能。通過查閱相關文獻發現:42CrMoA鋼CCT曲線測定過程中的組織定量問題一直沒有得到解決[4-10］。本文通過溫度-膨脹量曲線杠桿法[5］，計算了轉變后產物各相組織的體積分數，并用硬度和金相微觀組織照片進行了驗證。

1 試驗材料及方法

試驗所用42CrMoA鋼為熱軋后的圓鋼，后經線切割從圓鋼橫截面1/3處周向取樣加工成φ6 mm×12 mm的試樣［6］，其化學成分為:w(C)=0.410%，w(Si)=0.260%，w(Mn)=0.800%，w(P)=0.009%，w(S)=0.002%，w(Cr)=1.100%，w(Ni)=0.020%，w(Cu)=0.020%，w(Mo)=0.221%，其余為Fe。在Gleeble-1500D熱模擬機上，在真空條件下，將試樣以20℃/s快速升溫到900℃，保溫8 min后，以不同的冷卻速度進行冷卻，測定其相應的溫度-膨脹量曲線，并用杠桿法計算各相的相對含量。然后將不同冷速下的試樣用線切割從中部橫向切開取樣［7］，經打磨、拋光、4%硝酸乙醇溶液腐蝕［8］，采用日產OLYMPUS PMG3型倒置式光學金相顯微鏡進行金相微觀組織形貌分析，在電動洛氏硬度計HRD-150上面進行洛氏硬度(HRC)的測定。

2 試驗結果與分析

2.1 轉變產物組織相對含量的測定

在不同冷速(0.1～50.0℃/s)下測得膨脹量數據，用計算機軟件OriginPro將其繪成溫度-膨脹量關系曲線圖(見圖1)，由此曲線圖結合切線法[9］來確定不同冷速下相變起止點(圖1中，斜虛線為切線，B、D、F、H點即為用切線法找到的相變起止點)，在相變點處用杠桿法來計算轉變后的組織相對含量[5］。

鋼鐵在發生相變時，不同相變組織的比容不同，所以當鋼鐵試樣加熱或冷卻時，試樣直徑的變化可以通過△L=△LV+△LO計算而得，式中，△L為試樣總膨脹量變化(加熱或冷卻時);△LV為相變組織體積效應引起的試樣長度變化;△LO為其他因素引起的試樣長度改變(主要為試樣的熱脹冷縮引起的試樣長度變化)。

為使分析簡化，假定膨脹因數為常數α，則α·△T(△T為溫度的變化值)可以近似表示△LO(即△LO=α·△T)，若此時沒有發生相變(即△LV=0)，則總膨脹量隨溫度呈線性變化(即此時△L=α·△T)，得出來的曲線應該是直線;但當相變發生時，就破壞了這種線性關系。因此，可根據試樣總膨脹量變化來計算相變組織體積效應，從而來估算相變組織的相對含量。

溫度-膨脹量關系曲線如圖1所示，A、C、E、G為過相變點和橫軸垂直直線與溫度 -膨脹量曲線的交點，a、b分別為加熱和冷卻時的溫度 -膨脹量關系曲線，BB'為用切線法做出的切線，B'為其與CD的交點。在高溫處由于加熱和冷卻會發生相變(加熱時，鐵素體和珠光體向奧氏體轉變;冷卻時，奧氏體向鐵素體轉變)，當過冷奧氏體從高溫冷卻下來，a、b兩條線發生了分離，AB的長度為由于相變而發生的總膨脹量。當繼續冷卻，由于在B點發生相變，原本在tB'(B'的溫度)對應的B'點卻出現在D點位置，則在D點相變組織的相對含量為DB'/CB'，即為(CB'-CD)/CB'。若在此不發生相變，a、b兩條線從高溫冷卻下來應保持平行(因為膨脹因數都為假定的常數α)，故在此AB與CB'應近似相等，所以得到在D點相變組織的相對含量為(AB-CD)/AB(由于冷卻速度相對較小，奧氏體可以完全發生轉變，不考慮有殘余奧氏體)，同理可以得到中低溫轉變產物含量分別為(CD-EF)/AB和(EF-GH)/AB，具體計算結果如表1所示。表1中，F為鐵素體，P為珠光體，B為貝氏體，M為馬氏體。

圖1 溫度－膨脹量關系曲線及杠桿法測相對組織含量

表1 冷速及其對應轉變產物體積分數和硬度

2.2 硬度測定及金相微觀組織照片分析

用洛氏硬度計測得不同冷卻速度下HRC值，如表1所示，由表1可以看出:硬度的大體變化趨勢是隨冷速增大而逐漸升高的[10-11］。

結合轉變產物的組織相對含量、相應硬度測試結果及作者先前所測此鋼種的CCT曲線(如圖2所示)，選取部分冷速下得到的金相微觀組織照片進行分析(見圖3)。從圖3a(冷速為0.1℃/s)中可以看出:有白色呈多邊形的鐵素體和黑色粗片層狀珠光體組織;而圖 3b(冷速為0.6℃/s)和圖3c(冷卻速度為1.0℃/s)中則是羽毛狀、任意取向的黑色針狀和孤立的小島狀貝氏體組織;圖3d(冷速為20.0℃/s)中是板條和竹葉狀的馬氏體組織[5］。

圖2 42CrMoA鋼過冷奧氏體連續冷卻相轉變曲線

從表1可以看出:當冷速為0.1℃/s時，轉變產物中全部為鐵素體和珠光體;當冷速為0.6℃/s時，轉變產物中鐵素體和珠光體僅占2%，而貝氏體卻占98%;當冷速為1.0℃/s時，轉變產物大部分為貝氏體(占91%)，而馬氏體占9%;當冷速為20.0℃/s時，轉變產物全部為馬氏體。從以上分析中可以看出:金相微觀組織照片與表1計算的轉變產物組織體積分數基本相符。

圖3 不同冷速下42CrMoA鋼的金相組織

2.3 冷卻速度對相對組織含量和硬度的影響

通過以上分析，將表1中的冷卻速度、轉變產物體積分數和硬度數值，用OriginPro軟件做圖，得到圖4所示的冷卻速度對轉變產物體積分數和硬度的影響關系曲線。

3 結論

(1)繪制不同冷速下的溫度-膨脹量曲線，結合杠桿法計算出轉變產物的體積分數，并測定了轉變產物的硬度。(2)當冷速不超過0.1℃/s時，鐵素體和珠光體體積分數為100%;當冷速為0.6℃/s時，貝氏體含量最高，體積分數為 98%;當冷速為0.7℃/s時，開始出現馬氏體，其體積分數為4%;而后，隨著冷速的增大，貝氏體相對含量減小，馬氏體相對含量逐漸增加;當冷速超過20.0℃/s的，可以獲得100%馬氏體組織。(3)隨著冷卻速度的增加，轉變產物的硬度逐漸增大。

圖4 冷卻速度對轉變產物體積分數和硬度的影響關系曲線

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