摘要: 研究了合金元素 Al 和 Co 添加及等温淬火工艺对超细贝氏体钢组织转变的影响。结果表明: 添加 Al 和 Co 元素能加速超细贝氏体相变，含 Al 和 Co 的试验钢在 200 ℃等温 1 h 超细贝氏体含量约 70% 左右，当等温 5 h 时，超细贝氏体含量已经 90% ，再延长保温时间，超细贝氏体含量变化不明显; 相同保温时间条件下，随等温温度的升高，超细贝氏体板条束变长，粗化。
关键词: 等温淬火; 超细贝氏体; 残留奥氏体; 组织
近年来，Caballero 和 Bhadeshia 等[1-2]研究发现，将高硅高碳低合金钢在 T = 0. 25Tm ( Tm 为熔点) 的低温条件下进行长达数天的等温热处理后，可获得纳米级的超细贝氏体组织，其由厚度仅为 20 ～ 40 nm 的极薄贝氏体铁素体板条及其板条间富碳的残留奥氏体薄膜组成。这种显微组织结构的钢具有优异的强韧性匹配，同时具有良好的抗疲劳性和耐磨性[3-5]，有望在汽车零部件中进行应用。但超细贝氏体低温相变时间过长限制了其发展和应用，许多学者开展了加速超细贝氏体相变的研究工作，其中合金化和热处理技术是缩短超细贝氏体钢制备时间的有效方法[6-7]。本文设计一种添加了铝和钴的超细贝氏体钢，并研究等温淬火工艺对其组织演变的影响规律。
1 试验材料及方法
试验钢采用 25 kg 真空熔炼炉熔炼，化学成分见表 1。铸锭经过锻造线切割成 ?10 mm 的圆柱，在 1000 ℃ 下均匀化处理 12 h 后线切割加工成高度为 15 mm 的圆柱形试样。试样经 900 ℃ 保温 30 min 奥氏体化后快速转移至盐浴炉中等温淬火，盐浴温度分别为 200、 250 和 300 ℃，等温时间为 1、5、10 和 20 h，取出空冷至室温。试样经过磨光、抛光后采用 3% 的硝酸酒精腐蚀，在 Leica-DM2500M 型光学显微镜和 Zeiss-Sigma 型扫描电镜下观察显微组织。
2 结果与讨论
2. 1 Al 和 Co 元素添加对超细贝氏体相变组织的影响
图 1 为 1 号和 2 号试验钢在 200 ℃ 等温 1 h 的显微组织。图 1( a) 中呈黑色、排列成束的较长针状组织为超细贝氏体，含量约占 40% 左右，灰白色块状或者多边形状为残留奥氏体，少量短小的针状组织为马氏体，在对应的图 1( c) 扫描电镜下观察更为明显。添加了 Al 和 Co 元素的 2 号钢对应的显微组织如图 1( b) 所示，黑色针状超细贝氏体含量显著增加，约为 70% 。可见，在相同的等温温度和时间条件下，在合金中添加适量的 Al 和 Co 元素能增加奥氏体与贝氏体铁素体两相的自由能之差，获得更大的相变驱动力，加速贝氏体相变[8]; 超细贝氏体首先在晶界上形核，向晶内生长，将原奥氏体进行分割。其次，已生成的超细贝氏体相界面为后续相变提供新的形核点，最终超细贝氏体错综复杂的将原奥氏体分割，较大块状残留奥氏体分布在超细贝氏体板条束间。文献[9]报道超细贝氏体板条束是由贝氏体铁素体板条和薄膜状残留奥氏体构成。
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2. 2 等温时间对显微组织的影响
图 2 为 2 号试验钢在 200 ℃ 下分别等温 1、5、10、 20 h 后的扫描显微组织。比较图 2 中的组织照片发现，等温 1 h 时超细贝氏体含量约 70% ，当等温 5 h 时，超细贝氏体含量已经 90%以上，即使保温 10 h、20 h 超细贝氏体含量基本没有变化。超细贝氏体相变依赖于碳在奥氏体中的扩散[10]。相变初期，碳在奥氏体中扩散速度快，形成贫碳区与富碳区，贫碳区的奥氏体发生超细贝氏体相变，进一步向周边残留奥氏体中排碳; 在贝氏体相变后期，随着碳向奥氏体富集，残留奥氏体中的碳含量不断增加，奥氏体的稳定性增加，贝氏体相变很难发生。所以随着时间延长，超细贝氏体的含量没有显著变化，趋于稳定。
2. 3 等温温度对显微组织的影响
图 3 为 2 号试样分别在 200、250、300 ℃下等温 5 h 后的室温 SEM 组织。可以发现随着等温温度的升高，超细贝氏体板条变长，并且粗化。试样在 200 ℃ 等温淬火时温度较低、过冷度大，奥氏体向超细贝氏体相变驱动力较大，临界形核半径小，所以形成的超细贝氏体板条平直、细小。由于低温时碳原子在奥氏体中的自扩散系数较小，先形成的超细贝氏体很难通过 α /γ 界面向周边残留奥氏体中排碳，残留奥氏体中碳 含 量 不 高，稳 定 性 差，易于向超细贝氏体转变[11]。随着等温温度升高，碳原子扩散能力增强，奥氏体向超细贝氏体转变的孕育期变短，相变速度加快; 超细贝氏体向残留奥氏体排碳时碳原子在跃迁时所需用于克服晶格中的势垒的能量降低，使得残留奥氏体中碳含量显著增加，富碳的残留奥氏体呈较大的块状和多边形状稳定存在于基体中[12-13]，与图 3( c) 中形貌吻合。
3 结论
1) 铝和钴元素的添加能增大相变驱动力，提高贝氏体的生长速度，使贝氏体相变加速，超细贝氏体板条细化。
2) 在 200 ℃ 等温时，随着等温时间的增加，贝氏体铁素体含量先快速增加，后缓慢增加，最终组织中超细贝氏体含量趋于稳定。
3) 在同一等温时间 5 h 下，随着等温温度的升高，贝氏体铁素体变长，粗化; 温度越高，残留奥氏体越容易呈较大块状和多边形状稳定存在。——论文作者：齐 亮1 ，郝齐齐1 ，杨东彪1，2 ，冯兴宇1 ，谢建明1
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