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1、材料科学论坛2007 年第 539-543 卷通过快速加热和回火细化高强钢板中的渗碳体摘要：本文对使用高频感应加热装置以 0.3 到 100K/s 的加热速率处理的低碳钢中渗碳体析出性能进行了研究。本次研究中所用的材料为焊接结构用钢板：即 610 和 780MPa 级别具有贝氏体和马氏体混合显微组织的钢板。用碳提取复型法观察了渗碳体，还检测了硬度和韧性。当以 0.3K/s 常规低速率加热时，平均直径 72nm 的相对较大的渗碳体颗粒在条状晶界处析出，渗碳体被细化到 54nm 的平均直径大小。以此方式细化渗碳体大大改善了韧性。另一方面，硬度于加热速率无关，而是取决于回火参数。TEM 对快速加热过
2、程中渗碳体析出方式的观察揭示，渗碳体在约 773K 温度开始在条状晶界处析出，在约 873K温度在条状晶处析出。结论：以 773K 到 873K 温度快速加热有助于渗碳体细化，并最终改善韧性。还讨论了例如铬、钼或硅之类合金化元素在快速加热和回火处理中对渗碳体长大的影响。关键词：高强钢板， 回火处理，快速加热，析出， 渗碳体细化， 铬，钼，硅，提取复型法序言焊接结构用（例如工程设备、工业机械和储槽（罐） ）610MPa 或更高强度钢板具有贝氏体、马氏体或贝氏体/马氏体复合显微组织。这些钢板一般用调质工艺生产。在回火处理中，C 以渗碳体（Fe 3C）形式析出。渗碳体的形貌对钢的力学性能有重要影响，
3、并且有报道说，细小渗碳体的均匀分布是改善韧性、延伸率和抗氢脆性能等力学性能有效的方法之一。所使用的试样是具有马氏体显微组织的机器结构或弹簧用中碳或高碳钢。另一方面，已经报道了有关焊接结构用途低碳钢快速加热如何影响渗碳体分布和力学性能的一些研究。然而通过快速加热细化渗碳体的机理并没有充分澄清。此外，大量研究确认了渗碳体析出方式在回火处理中受到例如 Cr、Mo 或 Si 等替代合金元素的影响。但是还没有澄清这些元素在快速加热时是如何影响渗碳体析出方式和力学性能的。在本次研究中，使用具有贝氏体和马氏体混合显微组织的低碳钢研究了快速加热和合金化元素对渗碳体析出方式和力学性能的影响。试验程序本次研究中使
4、用了焊接结构用低碳高强钢板。这些钢板的化学成分示于表 1.在1423K 温度奥氏体化处理 3.6 千秒后，板坯被轧制到 18 或 25mm 厚，终轧温度范围为11531173K，随后打水直接淬火至 523K 以下。A 钢和 B-H 钢的强度级别分别为 780 和610MPa，具有贝氏体和马氏体混合显微组织。这些淬火试样用高频感应加热装置以 0.3100K/s 范围的各种加热速率加热到713953K 的各个温度，保温 600 秒，并以 0.5 或 200K/s 速度冷却到室温。使用衍射电子显微镜（TEM）和碳提取复型法观察显微组织和进行渗碳体尺寸测量。为了评估渗碳体中 Cr、Mo 或 Si 含量
5、，用提取复型法进行了能量扩散 X 射线光谱仪（EDS）定量分析。还以 98N 负荷、1mm 钢板厚度间隔进行了维氏硬度测量，还进行了夏比冲击试验。表 1.研究钢种的化学成分（质量%）结果和讨论通过快速加热和回火对渗碳体的细化。图 1 显示了加热速度对渗碳体分布的影响。A钢以在 0.3100 K/s 范围的速度加热到 873K，保温 10 秒，以 0.5K/s 的速率冷却。0.3K/s 的加热速度相当于钢板在保护气氛回火炉内回火处理钢板时的速度。随着加热速度升高到 3K/s，渗碳体逐渐被细化，渗碳体尺寸在这个加热速度上始终保持不变。根据对渗碳体的密切观察，平均直径 72nm 相对大的渗碳体在慢速
6、加热试样中多分布在条状晶界（图 1（b） ） ，而当快速加热时，平均直径 54nm 的细小渗碳体均匀分布在条状晶核条状晶界内（图 1（c） ） 。图 2 显示了加热过程中渗碳 7 体的析出方式。A 钢以 0.3 或 20K/s 的速度加热到773K 或 873K，最后不保温，以 200K/s 的速率冷却。当缓慢加热时，渗碳体开始析出，材料科学论坛2007 年第 539-543 卷并主要在约 773K 或以上温度在条状晶界长大。另外，当快速加热时，渗碳体在约 873K或以上温度在条状晶内析出，并且在 773K 或更高温度时在条状晶界析出。在条状晶内的析出是比较特殊的相对快速加热的析出方式。图 3
7、 简要显示了加热速度对渗碳体析出方式的影响。渗碳体在加热过程中以相对较低的温度优先在条状晶界析出，无论图 2 所示的加热速度如何。当缓慢加热时，开始在条状晶界析出的渗碳体通过吸收过饱和固溶体中的 C 在那里继续长大，直到基体中的 C含量达到一个平衡值为止。结果，大尺寸渗碳体多分布在条状晶界。另一方面，在快速加热情况下，由于组织复原造成的位错密度降低程度和在相同温度慢速加热相比要小，基体中的 C 含量没有达到到达高温之前的相当值。结果，渗碳体开始从在作为形核位置的条状晶内的位错析出。在快速加热时，通过增加渗碳体析出位置数量，以相对高温在条状晶内的渗碳体析出导致渗碳体的均匀分布。因此，特别是从在渗
8、碳体开始在条状晶界析出的温度快速加热到渗碳体在条状晶内位错开始析出都归功于渗碳体细化。图 1.快速加热和回火造成的细化渗碳体均匀分布：（a，b，c）回火状态 873K10 秒；（b）和（c）的加热速度分别是 0.3和 100K/s (=条状晶界 条状晶内)图 2.渗碳体在加热过程中的析出方式：（a,b）和（c，d）的加热速度分别是 0.3 和 20K/s；（a，c）和（b，d）分别是 773K和 873K。(=条状晶界 条状晶内)图 3.通过快速加热和回火使细化渗碳体均匀分布的机理通过快速加热和回火提高韧性。图 4 显示了快速加热和回火对力学性能的影响。A 钢在 0.3100K/s 范围各个速
9、度加热到 833953K 范围内的温度，保温 10 或 600 秒，以0.5K/s 的速率冷却。回火参数（T.P.）常规上已经被用来预测回火后调质钢的硬度或强度。T.P.参数规定如下：材料科学论坛2007 年第 539-543 卷其中 T，t 和 C 分别表示回火温度（K） 、在回火温度（h）的保温时间和一个常数（=21.3-5.8（质量% C） ） 。该参数一般作为经验公式，并且在保温时间长到足以使保温工艺在包括加热和冷却在内的全部回火过程中几乎主导所有热动力反应的时候适用。当保温时间较短时，应该考虑加热和冷却过程，以获得有效的 T.P.（回火参数） 。本研究中的一些保温时间比较短，因此计算
10、了所有 T.P.(回火参数)，以包括本次研究中的加热和冷却工艺。图 4（a）显示，不考虑加热速度，硬度和 T.P.有密切关系，图 4（b）显示韧性仅同T.P.没有关系，但是却依赖于加热速度。经过快速加热的试样呈现出比慢速加热试样拥有更好的韧性。这表示细小渗碳体分布促使韧性得到提高。当为了澄清导致渗碳体细化因素以 0.3K/s 慢速加热时，在回火温度时的保温时间是10 和 600 秒。图 4（b）表明导致渗碳体细化的因素不是较短的保温时间，二十快速的加热速度。为了将上述快速加热和回火技术应用到高强钢板的工业或生产上，研发了一种热处理在线工艺（HOP） 。HOP 是一种感应加热器，将其应用到钢板的
11、工业化回火处理在世界上尚属首次。表 2 显示了用 HOP 生产钢板的力学性能举例。图 5 显示了通过 HOP 回火处理开发钢种与在保护气氛热处理炉中回火处理的常规钢种之间渗碳体分布和韧性对比。通过 HOP 回火处理的 B 钢中渗碳体得到均匀细化，而且韧性得到改善，如 A 钢一样。据说，对于 610 和 780MPa 级别钢，细小渗碳体分布和优异的韧性系通过快速加热和回火获得的。图 4.789MPa 强度级别 A 钢回火参数和力学性能之间的关系。HV10 是厚度方向 98N 负荷下的平均维氏硬度，vTrs 是断口形貌转变温度图 5.610MPa 强度级别 B 钢通过 HOP 回火处理后的渗碳体细
12、化和韧性提高表 2.通过 HOP 回火处理开发钢种基体金属的力学性能快速加热时替代合金化元素对渗碳体析出方式的影响。图 6 显示了 Cr 量对渗碳体析出方式的影响。C 钢和 E 钢以 20K/s 的速度加热到 873 或 953K 温度，保温 10 秒并以0.5K/s 速率冷却。在本章中，加热速度、保温时间和冷却条件都相同。当在 873K 温度回火时，在这两种钢的条状晶界和条状晶内都观察到细小渗碳体，和同快速加热处理的 A 和 B 观察到的一样。当在 953K 温度回火时，在没有添加 Cr 的 C 钢中渗碳体粗大化，而在含 0.26 mass% Cr 的 E 钢获得了细小渗碳体。图 7 显示了
13、当回火温度从 873 提高到 953K 时 Cr、Mo 或 Si 含量对渗碳体长大和韧性转变的影响。随着 Cr 或 Mo 含量的增加，渗碳体粗大化和韧性劣化程度被减轻，而 Si 在本研究中使用的条件下没有影响渗碳体的长大。有报道介绍，有些合金化元素聚集在渗碳体中（Cr 和 Mo）或渗碳体与铁素体界面材料科学论坛2007 年第 539-543 卷（Si） ，渗碳体颗粒的长大速度受到它们的扩散控制，从而减少了渗碳体粗大化。然而，多数对合金化元素在渗碳体和铁素体之间分布的研究都是在平衡条件下进行的，并且这些元素在渗碳体和铁素体之间的分布方式尚未在快速加热的非平衡条件下研究过。因此，Cr、Mo 或 S
14、i 在渗碳体中或在渗碳体和铁素体之间界面的聚集方式借助于 EDS、使用提取复型法或聚焦粒子束法（FIB）加以研究。图 8 显示了 953K 温度回火处理的 E 钢中渗碳体 EDS 分析的结果之一。该图显示渗碳体含有 Cr 和 Mn。图 9 显示了 873 或 953K 温度回火处理的 C-H 钢中渗碳体 EDS 定量分析的结果。为了确定渗碳体中的合金化元素含量，每个试样分析了 20 个渗碳体颗粒。渗碳体中 Cr 和 Mo 含量同钢中每个元素含量和回火温度一样增加，而渗碳体中 Si 含量无论 Si量或回火温度如何都没有变化。为了检测 953K 温度回火处理 H 钢中渗碳体和铁素体之间Si 的分布
15、方式，用 EDS 定量分析了采用 FIB 法加工的渗碳体颗粒。渗碳体、铁素体及其界面的定量分析值几乎相同，没有发现明显的分布现象。可以定论，Cr 和 Mo 聚集在渗碳体中，降低了渗碳体的长大速度，而 Si 没有聚集在渗碳体中，并且与渗碳体长大无关。当通过快速加热和回火处理方式在较大 T.P.（回火参数）回火时添加 Cr 和 Mo 可以有效实现细小渗碳体的扩散。图 6.Cr 量对渗碳体扩散的影响：（a，b）和（c，d）中的 Cr 量分别是 0.00 和 0.26 mass%；（a，c）和（b，d）的回火温度分别是 873 和 953K（：在条状晶内）图 7.替代合金化元素对渗碳体长大和韧性转变的
16、影响：（a,b）Cr;(c,d)Mo;(e,f)Si图 8.渗碳体 EDS 分析结果距离（E 钢在 953K 温度回火处理）图 9.合金化元素量或回火温度对对每个元素在渗碳体中的聚集方式的影响：（a）Cr；（b）Mo；（c）Si材料科学论坛2007 年第 539-543 卷总结快速加热和回火以及 Cr、Mo、Si 的替代合金元素对渗碳体析出方式以及力学性能的影响得到研究。所研究的钢板为具有贝氏体和马氏体混合显微组织的 610 和 780MPa 级别钢。当快速加热时，渗碳体在条状晶和条状晶界析出，细化了渗碳体颗粒度。渗碳体在条状晶内的析出是对应快速加热的特殊析出方式。渗碳体的细化提高了韧性。快速加热细化渗碳体的机理也基于采用提取复型法对渗碳体析出方式所进行的仔细观察进行了探讨。而且 Cr 和 Mo 在渗碳体中聚集，在快速加热和回火处理中降低了渗碳体的长大速度。结论是，快速加热和添加 Cr，Mo 组合使用将通过渗碳体细化提高高强钢的韧性。
