王申存，李志成，易丹青，曹志強(qiáng)，張鴻

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭，411101)

20MnCr5鋼是用于生產(chǎn)汽車齒輪軸常用的低碳低合金鋼[1]，經(jīng)過滲碳淬火及低溫回火后的齒輪有著良好的力學(xué)性能。齒輪含碳量較低的心部一般是典型的板條狀馬氏體組織。馬氏體相變是一種典型的非平衡固態(tài)相變[2]，對于馬氏體的組織結(jié)構(gòu)和相變機(jī)理，前人已經(jīng)進(jìn)行了豐富的研究，形成了很多的理論，但目前仍然有很多爭議[3]。電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)由于可以分析大范圍的取向特征[4]，可以從整體上分析馬氏體的取向關(guān)系。利用EBSD技術(shù)來研究馬氏體相變特征越來越成為一個熱點[5]。Morito等[6]結(jié)合透射電鏡，使用EBSD技術(shù)研究了低碳鋼馬氏體的變體，指出兩組相互間具有 10.53°取向差的變體板條存在于一個板條束中；還研究了具有粗大板條組織的低合金鋼馬氏體[7]，證明在一個晶區(qū)中有六種變體的存在。Kitahara等系統(tǒng)地分析了低碳鋼的馬氏體K-S關(guān)系的變體[8]和Fe-Ni合金馬氏體N-W關(guān)系的變體[9]，發(fā)現(xiàn)盡管實驗數(shù)據(jù)有所離散，但仍然分別符合K-S和N-W取向關(guān)系，并且不是所有理論變體都出現(xiàn)在原奧氏體晶粒中。實際上K-S和N-W關(guān)系的差別很小，Nolze[10]通過計算表明兩者相應(yīng)變體間取向差為5.26°；Morito等[7]也指出在同一馬氏體組織中可能同時存在K-S和N-W 2種取向關(guān)系。為了區(qū)分這 2種取向關(guān)系，Miyamoto等[11]使用數(shù)值擬合的方法，將高指數(shù)晶面投影到奧氏體坐標(biāo)系，通過極點分布圖案來區(qū)分兩種取向關(guān)系，但這種方法對數(shù)據(jù)的要求非常高。如果將馬氏體{110}α面投影到奧氏體坐標(biāo)系上，也可以對K-S和N-W取向關(guān)系進(jìn)行區(qū)分，并且此方法對實驗數(shù)據(jù)無很高的要求。本文作者對經(jīng)淬火及低溫回火后的20MnCr5齒輪鋼心部組織進(jìn)行EBSD實驗，對得到的{110}α極圖分別用 K-S關(guān)系和N-W關(guān)系進(jìn)行擬合來證明材料中馬氏體的取向關(guān)系，并采用協(xié)同變形機(jī)理來解釋理論與實驗數(shù)據(jù)的偏差，證明這種偏差由馬氏體相變導(dǎo)致周圍組織畸變引起。

1 實驗方法

由ARL3460金屬分析儀測量20MnCr5齒輪心部的化學(xué)成分，結(jié)果見表1。20MnCr5齒輪鋼熱處理工藝為：在920 ℃下滲碳2 h后，快速降溫到860 ℃并保溫30 min，急冷淬火后在180 ℃下回火處理2 h。

用于金相組織觀察的試樣為齒輪的橫截面，經(jīng)過鑲樣、磨拋后使用2%硝酸酒精溶液腐蝕，使用Leica EC3光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。使用 HMV-2T維氏顯微硬度計測量其硬度變化，所用壓力為3 N，保持時間為15 s。

表1 20MnCr5齒輪鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of 20MnCr5 steel %

采用類似透射電鏡樣品制備的方法經(jīng)切割、機(jī)械研磨獲得一組直徑為3 mm、厚度為0.1 mm的試樣，使用Struers公司Tenupol-5雙噴儀對試樣進(jìn)行雙噴制備EBSD觀察用樣品。雙噴液為95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的酒精加5% HClO4溶液，采用單束模式，控制雙噴時間在40 s以內(nèi)以消除試樣表層應(yīng)力區(qū)并防止試樣被過度減薄到穿孔。使用JSM-6490LV鎢燈絲掃描電鏡進(jìn)行EBSD分析。實驗中掃描電鏡的加速電壓為20 kV，使用Nordlys探頭探測背散射信號，掃描步長為0.5 μm，將制備好的試樣放在傾角為 70°的樣品臺上，數(shù)據(jù)采集軟件為HKL CHANNEL 5。

2 結(jié)果與討論

2.1 金相組織與顯微硬度

圖1所示為20MnCr5齒輪鋼的表層、過渡區(qū)、心部的金相組織。由圖1可以看出：表層150 μm以內(nèi)為典型的片狀馬氏體加碳化物和殘余奧氏體，經(jīng)過細(xì)小板條馬氏體加殘余奧氏體的過渡區(qū)后，心部由粗大的板條狀馬氏體組成。

齒輪橫截面的顯微硬度測量結(jié)果如圖2所示。由圖2可見：在淺表層中組織的硬度(HV)先升高，在距離表層0.3～0.4 mm之間達(dá)到最大值850后開始急劇下降。在距離表層2.0 mm后，硬度在450～460之間波動。對于滲碳齒輪，從表層到硬度開始小于550區(qū)域的距離稱為齒輪的有效硬化層，從硬度結(jié)果可知20MnCr5成品齒輪有效硬化層約為1.4 mm。在0～0.3 mm淺表層，大量殘余奧氏體與硬的高碳馬氏體共存。但由于殘余奧氏體易變形，整體硬度較低。從表層到距表層0.3 mm處，殘余奧氏體含量相對減少，而馬氏體含量逐漸增加，整體硬度隨之升高。在距離表層0.3～0.4 mm處，雖然殘余奧氏體仍減少硬度會增加，但是，組織的含碳量的減少導(dǎo)致馬氏體硬度的也有所減少，兩因素綜合使硬度穩(wěn)定在最大值。在距表層0.4～2.0 mm范圍內(nèi)，含碳量迅速降低，所以，硬度也隨之快速下降；當(dāng)與表層相距2.0 mm后，硬度變化趨于平緩。雖然在心部組織中含碳量已經(jīng)不再變化，但是硬度仍然有小幅度下降，這與材料的淬透性有關(guān)[12]。

圖1 20MnCr5齒輪鋼橫截面的金相顯微組織Fig.1 Microstructures in cross section of 20MnCr5 gear

2.2 馬氏體變體取向關(guān)系的{110}α極圖

板條馬氏體微觀結(jié)構(gòu)共有3個層次[13]，即晶區(qū)、板條束和板條。每個板條是1個馬氏體單晶，為馬氏體的最小組元，有1個固定的取向。平行的板條束組成了 1個晶區(qū)，1個晶區(qū)中的馬氏體基本由相同的{111}γ面轉(zhuǎn)換而來。相變后的馬氏體與母相一般保持

圖2 20MnCr5滲碳齒輪橫截面的顯微硬度分布Fig.2 Microhardness distribution on cross section of 20MnCr5 gear

相變前的奧氏體取向用取向矩陣A表示，相變后得到了相應(yīng)的取向矩陣為M的馬氏體。設(shè)取向關(guān)系轉(zhuǎn)換矩陣為T，T即為取向轉(zhuǎn)換矩陣。K-S關(guān)系24個變體對應(yīng)24個取向轉(zhuǎn)換矩陣即T1,T2,…,T24。于是，有：

從而Ti可以由下式計算得到：

根據(jù)K-S取向關(guān)系即可得到24個歸一化的取向轉(zhuǎn)換矩陣：

同理，根據(jù)N-W關(guān)系的12個變體得到12個歸一化的取向轉(zhuǎn)換矩陣：

馬氏體的{110}α等同晶面組成的矩陣為：

2.3 齒輪心部組織的電子背散射衍射分析

圖 4(a)所示為齒輪試樣橫截面心部組織的取向分布圖。圖 4(a)右上角圖標(biāo)所示為晶粒的不同取向示意圖。圖中分別畫出了取向差大于 45°的大角度晶界和取向差在10°～20°范圍內(nèi)的晶界。圖4(a)中標(biāo)注的白色直線為用于測量取向差線分布選定的區(qū)域?？傮w來看，圖 4(a)中的馬氏體取向隨機(jī)分布，板條束的尺寸在若干微米，由大角度晶界分開，但在局部區(qū)域的情況卻有所不同。根據(jù)反極圖圖標(biāo)，圖 4(a)中黑色虛線選中的區(qū)域大多取向為{101}α∥Z軸，區(qū)域內(nèi)部被大量的大角度晶界分割成板條。作出該區(qū)域馬氏體{110}α的極射赤面投影如圖4(b)所示。可以看出極點很有規(guī)律地呈三角形分布在投影面上。為得到馬氏體與原奧氏體的取向關(guān)系，下面對所得極圖進(jìn)行擬合。

圖 3(a)和 3(b)所示{110}α理論極圖中 4個三角形區(qū)域的中心都有1個極點，它們與奧氏體{111}γ標(biāo)準(zhǔn)極圖的4個{111}γ極點重合，所以，這4個極點對應(yīng)的{110}α方向與奧氏體{111}γ平行。在實際得到的極圖中測量任意 2個相鄰三角形中心的位置坐標(biāo)為(x0,y0)和(x3,y3)，可以根據(jù)投影原理計算得到對應(yīng)的三維空間中的取向，分別設(shè)為[a0,b0,c0]和[a3,b3,c3]。由于{111}γ面的等同性，可以設(shè)，[a3,b3,c3]∥[111]。由晶向關(guān)系得到及，設(shè)[a1,b1,c1] =[a0,b0,c0] ×[a3,b3,c3]，[a2,b2,c2]=[a3,b3,c3] ×[a1,b1,c1]，則。由此可以得到從奧氏體坐標(biāo)系到樣品坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩

陣為：

圖3 馬氏體各變體的{110}α面在奧氏體(111)γ[ 1 10]γ坐標(biāo)系的極圖Fig.3 {110}α polar figure of Martensite variants in(111)γcoordinate system of austenite

圖4 齒輪試樣橫截面心部組織的電子背散射衍射分析Fig.4 EDSD analysis of central area at cross section of gear

由Ts矩陣可以對{110}α理論極圖旋轉(zhuǎn)操作擬合實驗得到的{110}α極圖。利用 K-S關(guān)系和N-W關(guān)系分別對圖 4(b)極圖進(jìn)行擬合，得到如圖 4(c)和 4(d)所示的結(jié)果，圖中黑點表示擬合的理論極點分布。

對比圖4(b)和4(c)，4(d)可以看出：在極點分布上和9個區(qū)域的形狀上，N-W關(guān)系擬合的結(jié)果比K-S關(guān)系與由實驗數(shù)據(jù)得到的極圖結(jié)果更加一致。由此可以認(rèn)定所選區(qū)域以N-W關(guān)系為主。所選區(qū)域的馬氏體變體來自于同一個原奧氏體晶粒的4個{111}γ面，原奧氏體晶粒的取向為：馬氏體實驗極圖中有一些變體的極點未出現(xiàn)在極圖中，這說明馬氏體相變后N-W關(guān)系的12種變體并非一定全部出現(xiàn)，Kitahara等[8]的研究也得到類似的結(jié)果。另外，在擬合圖中實際極點離散分布于理論變體極點周圍，這主要由馬氏體相變的復(fù)雜性及EBSD的角精度引起。

圖5(a)中做出了圖4(a)掃描區(qū)域中長為60 μm白色直線上的取向差分布圖，可以看到大部分板條界都是大于 45°的大角度晶界和小于 5°的小角度晶界。圖5(b)所示為整個掃描區(qū)域的24 451個數(shù)據(jù)點的取向差的統(tǒng)計分布得出取向差分布在 20°以下和 45°以上。Morito等[7]使用TEM對馬氏體板條間的取向差做了詳細(xì)的研究，結(jié)果表明相鄰板條之間的夾角為 2°～5°，并且呈交替分布而不是隨著距離增大而累積。這說明小于5°取向分布源自板條取向差，是實際極點相對于理論極點的離散分布的原因。在45°以上，取向差有1個較寬的峰，峰值對應(yīng)于53°和60°。原奧氏體晶粒中大量的大角度晶界對應(yīng)于極圖4(b)中不同區(qū)域極點變體之間的角度差。位于 60°的異常高峰值表明大部分的板條束具有孿晶關(guān)系[14]。實際取向差并非孤立地分布于 N-W 關(guān)系的馬氏體變體間的理論取向差 13.8，19.5，50.0，53.7，60°[14]上，說明板條馬氏體板條取向與理論變體取向存在偏差，這源自于馬氏體的特性和相變形成機(jī)理。

圖5 取向差的線分布和統(tǒng)計分布圖Fig.5 Misorientation distribution along line and statistical distribution of area

圖6 受奧氏體限制的馬氏體形成示意圖Fig.6 Schematic diagram of Martensite formation bounded by austenite

本文通過協(xié)同形變機(jī)理進(jìn)行解釋。假設(shè)在Ms點有1個馬氏體板條形成于奧氏體中，由于受到基體的限制，馬氏體不能自由地相變。圖6所示為受奧氏體限制的馬氏體形成示意圖，其中虛線方形表示自由地進(jìn)行形狀改變的情況。原奧氏體對馬氏體的形成有束縛作用，反之，馬氏體的形成會作用于周圍的奧氏體，使奧氏體短程范圍內(nèi)發(fā)生彈性或塑性變形來補(bǔ)償相變時的形狀應(yīng)變。這種畸變使得周圍的奧氏體的取向發(fā)生了小角度的偏轉(zhuǎn)，但不同位置偏轉(zhuǎn)程度和方向可能不盡相同。自由形變位置的馬氏體與遠(yuǎn)處無畸變的奧氏體之間的取向關(guān)系滿足理論的N-W關(guān)系。但由于實際馬氏體未能自由變形，所以，得到的取向關(guān)系與N-W關(guān)系理論值有微小的偏差。同時由于畸變發(fā)生取向偏轉(zhuǎn)的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后，取向關(guān)系與N-W關(guān)系也有幾度的偏離，并且這種偏離由于馬氏體和周圍基體之間的相對位向及基體晶粒的不同而變化，所以，EBSD結(jié)果圖4(d)中極點離散分布于N-W理論極點的周圍，并且實際晶體的取向差并不是孤立地分布在理論值上，這就是協(xié)同形變機(jī)制。

3 結(jié)論

(1) 滲碳加低溫回火后20MnCr5齒輪表層組織為殘余奧氏體、碳化物和馬氏體，心部為粗大的板條馬氏體。硬度在距表層0.3～0.4 mm處達(dá)到了最高值。隨著與表層距離的增加，硬度下降先快后慢，2 mm后硬度的緩慢下降由淬透性引起。

(2) 20MnCr5滲碳齒輪心部馬氏體組織的取向分布經(jīng)EBSD掃描得到取向成像圖，得到了取向差的分布集中在 5°以下和 45°以上，整體取向隨機(jī)分布而局部區(qū)域有規(guī)律分布。使用數(shù)值擬合的方法擬合{110}α極圖確定了選定原奧氏體晶粒中馬氏體的取向關(guān)系以N-W取向關(guān)系為主。實際取向與理論值的偏差是馬氏體相變時導(dǎo)致周圍組織復(fù)雜畸變引起的。

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