25MnCrNiMo鋼貝氏體組織形態的顯微結構分析

李鶴飛，覃作祥

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 前言

自1939年將奧氏體在中溫區經等溫轉變或連續冷卻所得到的組織命名為貝氏體(Bainite)以來［1］，貝氏體組織因其具有節約能源、降低成本、顯著簡化工藝流程及提高材料性能的特點，對材料工程及制造技術的進步具有極大的推動作用，并且，近年來貝氏體鋼越來越受到工程界高度的關注［2-4］.低碳鉻鉬鋼是應用于鐵路行業的重要部件——車鉤制造用鋼.該鋼采用淬火加高溫回火的調質熱處理工藝，成功研制了16號和17號車鉤，解決了我國大秦線開行2萬噸列車的需要，并使得我國車鉤的制造水平達到了國際先進水平［5］.隨著重載列車的運行速度、牽引總重不斷提高，車鉤受到的各種作用力越來越大，使用工況更加惡化，疲勞斷裂已成為車鉤失效的主要形式［6-9］.由于車鉤的尺寸大，并且車鉤制造用鋼的淬透性不高，在調質熱處理過程中很難整體淬透，內部極易形成貝氏體組織，盡管之前有專家對車鉤組織轉變及力學性能做了很多研究［10-13］，但是對于車鉤用鋼的貝氏體組織轉變尤其是等溫轉變溫度對其組織影響的研究相對較少，因此本文選用25MnCrNiMo鋼進行中低溫等溫轉變處理來探尋有關貝氏體相變規律，豐富貝氏體相變的實驗內容，并為鐵路關鍵零部件的制造提供指導.

1 實驗材料及方法

(1)實驗材料

本文選用列車車鉤用鋼25MnCrNiMo，其化學成分(wt%)如下:C 為 0.22 ～0.29%;Si為 0.15～0.40%;Mn 為 0.50 ～0.80%;P，S≤ 0.015%;Cu≤0.3%;Ni為 0.3%;Mo 為 0.15 ～0.30%;Cr為0.90 ～1.20%.

(2)熱處理工藝

圖1 試驗用鋼的熱處理工藝曲線

試驗用鋼的熱處理工藝曲線如圖1所示，奧氏體化溫度為920℃，保溫40 min，然后淬入熔化的硝酸鹽浴爐中保溫進行等溫轉變，等溫溫度范圍為300～480℃，以30℃為間隔溫度，等溫時間均為40 min，隨后出爐水冷.25MnCrNiMo鋼的Bs點約在500℃，本實驗的最高等溫溫度為480℃，接近貝氏體形成的上限溫度，該鋼的Ms點約為290℃，300℃等溫時，屬于下貝氏體轉變區域.

(3)顯微組織分析及顯微硬度測試

25MnCrNiMo鋼等溫轉變后將試樣表面去除氧化脫碳層，先在金相砂紙磨制，再進行機械拋光，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕.在VHX-1000超景深顯微鏡上觀察貝氏體形態.透射電鏡試樣用電火花線切割機截取，厚度約為0.8 mm.樣品先在金相砂紙上減薄至30～50 μm，然后將試樣用沖片器沖裁成Φ3mm的圓片，使用離子減薄儀制成薄膜樣品，在2100F場發射透射電子顯微鏡下觀察貝氏體的微觀結構.

硬度測試采用FM-700型數字顯微硬度計，載荷為10 kg，最終結果取5個硬度值的均值.

2 實驗結果與分析

2.1 金相組織分析

25MnCrNiMo鋼的正火組織如圖2(a)所示，其組織特征為:條狀鐵素體+珠光體，白色條狀組織為鐵素體，尺寸較粗大.對不同溫度等溫轉變依次進行了組織形貌的觀察分析，如圖2(b～d)所示.300℃和330℃等溫轉變以下貝氏體為主，如圖2(b)所示，條狀貝氏體鐵素體內部分散著較多的細小碳化物.等溫轉變溫度的升高，下貝氏體中的鐵素體條漸寬，鐵素體呈現塊狀，變成粒狀貝氏體，且數量逐漸增多，鐵素體塊內有一些碳化物顆粒和孤立的小島，小島組織呈塊狀或長條狀，形狀不規則，如圖2(c)所示.隨溫度進一步升高粒狀組織更加均勻粗大如圖2(d)，480℃時出現了上貝氏體組織，呈羽毛狀，碳化物在一定位置上聚集.金相組織表明，不同等溫溫度進行貝氏體相變，得到不同形態的貝氏體組織，隨著等溫轉變溫度的升高依次得到:下貝氏體—粒狀貝氏體—上貝氏體組織.

圖2 25MnCrNiMo鋼正火組織和不同溫度等溫轉變得到的貝氏體組織

2.2 顯微硬度的變化

圖3是25MnCrNiMo鋼在920℃加熱后在不同溫度下等溫轉變所獲得的組織顯微硬度變化曲線.隨等溫溫度的提高，硬度迅速下降，390℃之后下降趨于平緩，直到等溫溫度為420℃最低，并且硬度在390～450℃之間變化不大，溫度升高到480℃，硬度有所升高.組織顯微硬度變化是由于在300℃時獲得少量的馬氏體組織，有大量的位錯存在，硬度值特別大;隨著等溫轉變溫度的升高，馬氏體組織消失，貝氏體含量增多，碳化物析出的數量和彌散程度降低，導致硬度迅速下降;等溫溫度為390℃時，組織獲得幾乎全部的粒狀貝氏體組織，隨著溫度的進一步提升，組織趨于均勻化，狀態變化不大，硬度值趨于平衡;當等溫轉變溫度提高到480℃，出現了羽毛狀上貝氏體，并且碳化物在一定位置聚集析出，硬度有所提高.

圖3 顯微硬度－等溫轉變溫度曲線

2.3 等溫處理對組織的影響

圖4為25MnCrNiMo鋼在不同等溫溫度的透射電鏡照片，在較低溫度下等溫轉變獲得的組織為以下貝氏體+少量馬氏體，如圖4(a)所示，貝氏體鐵素體條寬約270 nm，并且在貝氏體鐵素體內部有高密度位錯亞結構，其內部有相互平行的碳化物析出，一般與貝氏體鐵素體條的軸向呈55°～60°的交角，如圖4(b)所示，碳化物呈針葉狀或者扁平狀，針狀尺寸約為130 nm×22 nm，粒狀彌散分布較多，尺寸約為160 nm×45 nm.圖5(a)分別析出碳化物的明、暗場像，衍射分析表明，這些碳化物均為θ碳化物，即滲碳體.

圖4 貝氏體轉變的TEM照片

390℃等溫轉變貝氏體鐵素體呈條狀和塊狀結合，如圖4(c)所示.粒狀貝氏體在小島形貌及分布特征上有兩類［14］:一是小島呈不規則塊狀，它無規則的分布在鐵素體基體上，如圖4(d)所示，另一類是小島呈不連續的長條形，并且互相趨于平行排列，如圖4(e)所示，碳化物形態兩種可同時也可單獨存在.420℃等溫轉變明顯的塊狀組織，長條狀碳化物在晶界和晶內都有析出，塊狀組織內部大部分是長條狀碳化物.塊狀組織晶間也存在少量的碳化物，內部呈島狀或條狀存在.

480℃等溫轉變明顯的上貝氏體形態，如圖4(f)所示，條片狀的上貝氏體在奧氏體界面上形核，并長大為羽毛狀，碳化物與貝氏體片條軸向呈平行分布，可見碳化物呈短棒狀或短片狀分布在貝氏體鐵素體(Bf)之間，與鐵素體片的方向大體上平行.圖5衍射分析表明，這些碳化物也是θ碳化物，即滲碳體.

圖5 25MnCrNiMo鋼在不同溫度等溫析出的滲碳體的明、暗場像及其衍射斑照片

3 貝氏體組織轉變過程討論分析

3.1 下貝氏體形核長大及碳化物析出機制討論

下貝氏體是非層狀的鐵素體和碳化物的聚合物，碳化物有兩種不同的分布位置，有的碳化物像上貝氏體一樣從富碳奧氏體中析出并分布于貝氏體鐵素體片之間，而更多的細小的彌散分布的碳化物出現透鏡狀的鐵素體片內.下貝氏體形成溫度低于海灣溫度，合金元素原子難以擴散，碳原子尚能擴散.轉變開始時在奧氏體晶界往往吸附大量碳原子，但是晶內依靠漲落可以形成貧碳區，則在位錯處容易形核.而且下貝氏體相變溫度低，使得相變驅動力增加，能夠以切變機制形成貝氏體鐵素體［15-17］.所以下貝氏體鐵素體的形核長大先以馬氏體相變的無擴散性(晶格原子和碳原子均不發生擴散)切變方式形成碳的過飽和體心立方或體心正方固溶體，隨后過飽和的固溶體發生自回火過程，在α相內析出碳化物形成下貝氏體組織.

3.2 粒狀貝氏體形核長大及碳化物析出機制討論

中溫塊狀鐵素體的形核和長大有其特征:塊狀鐵素體晶核可分布于奧氏體晶粒內或晶界邊緣;臨界晶核各向均勻或不均勻長大，形成塊狀或不規則外形的鐵素體塊，它的長大不具備固定的長大方向，沒有固定的相變慣析面.島狀組成相是中溫轉變的組成部分，隨著鐵素體量逐步增多，奧氏體量逐漸減少，它所含的碳量一再增加，其中包括由鐵素體排泄出來的碳.由于相變不具有固定長大取向，各向均勻長大的鐵素體塊變粗可以相遇，并在塊之間構成富碳的奧氏體小區及島狀組織;有時這種富碳奧氏體小區可以被推移到晶界面附近.鐵素體晶體的不均勻長大可構成鉗型的塊，從而將富碳奧氏體小區包圍起來，便在塊內呈現出島狀.有關理論［18］同樣表明中溫塊狀鐵素體轉變具有擴散和切變雙重相變特征.即部分貝氏體鐵素體先以切變形式形核，然后在貝氏體鐵素體條增厚的過程中，相鄰平行取向一致的鐵素體條相碰可構成條束，相同取向的條束又可以合并成塊狀，原在條束間的富碳奧氏體或碳化物被分隔開來，顯示為鐵素體塊內的島狀組織.而且內部呈粒狀或短條狀，尺寸不等.

3.3 上貝氏體形核長大及碳化物析出機制討論

上貝氏體鐵素體/奧氏體的相界面并不是共格的，相關實驗研究［19］表明，上貝氏體鐵素體的形核長大從熱力學上來講切變驅動力很小，難以切變方式進行.貝氏體鐵素體的形核和其他擴散性相變規律相同，在孕育期中，奧氏體中由于濃度漲落可以形成貧碳區，結構漲落可以形成體心核坯，能量漲落可以提供核坯和臨界晶核所需要的能量，使得奧氏體貧碳區的結構瓦解，形成貝氏體鐵素體晶核，其過程類似于珠光體轉變過程，貝氏體鐵素體長大，向外排碳，形成奧氏體富碳區，聚集形成滲碳體，由于形成溫度較于珠光體轉變溫度低，所以碳擴散速率降低，不能形成連續的碳化物組織，最后獲得的的是貝氏體鐵素體條與相間的不連續的滲碳體.

從貝氏體的三種形態來看，低碳鋼的各種貝氏體轉變并沒有明顯的界線，是一個連續的轉變過程.從下貝氏體到粒狀貝氏體再到上貝氏體，隨著等溫轉變溫度的升高，貝氏體形態逐漸演化;從相變機制上，貝氏體轉變隨著等溫轉變溫度的升高，以下貝氏體的切變方式形核到粒狀貝氏體的切變-擴散雙重機制，再到上貝氏體的擴散機制，整個貝氏體相變隨溫度的變化是一個漸變的變化過程.

4 結論

(1)隨著等溫轉變溫度的升高，貝氏體組織形態由下貝氏體-粒狀貝氏體-上貝氏體逐漸演變;

(2)300℃等溫轉變獲得的硬度最大，之后隨著等溫溫度的提高開始急劇下降，在390℃之后趨于平緩，在420℃硬度值達到最低，之后隨溫度升高硬度變化不大;

(3)貝氏體轉變機制由下貝氏體的切變形核到上貝氏體的擴散長大機制，粒狀貝氏體表現出擴散-切變雙重機制，隨著等溫轉變溫度的升高，貝氏體相變是一個切變-擴散連續漸變的過程.

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