龍松朋，周旭東，王云飛

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

0 引言

42CrMoA鋼在高溫時(shí)有高的持久強(qiáng)度，調(diào)質(zhì)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(yīng)用[1-3］。鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻相轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)是分析熱處理組織和性能變化的重要依據(jù)，而標(biāo)明各冷卻規(guī)范下的組織相對含量，使CCT曲線能更確切地應(yīng)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(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn):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(jì)算了轉(zhuǎn)變后產(chǎn)物各相組織的體積分?jǐn)?shù)，并用硬度和金相微觀組織照片進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用42CrMoA鋼為熱軋后的圓鋼，后經(jīng)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(xué)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(jī)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(jìn)行冷卻，測定其相應(yīng)的溫度-膨脹量曲線，并用杠桿法計(jì)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(jīng)打磨、拋光、4%硝酸乙醇溶液腐蝕［8］，采用日產(chǎn)OLYMPUS PMG3型倒置式光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行金相微觀組織形貌分析，在電動(dòng)洛氏硬度計(jì)HRD-150上面進(jìn)行洛氏硬度(HRC)的測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)變產(chǎn)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(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)軟件OriginPro將其繪成溫度-膨脹量關(guān)系曲線圖(見圖1)，由此曲線圖結(jié)合切線法[9］來確定不同冷速下相變起止點(diǎn)(圖1中，斜虛線為切線，B、D、F、H點(diǎn)即為用切線法找到的相變起止點(diǎn))，在相變點(diǎn)處用杠桿法來計(jì)算轉(zhuǎn)變后的組織相對含量[5］。

鋼鐵在發(fā)生相變時(shí)，不同相變組織的比容不同，所以當(dāng)鋼鐵試樣加熱或冷卻時(shí)，試樣直徑的變化可以通過△L=△LV+△LO計(jì)算而得，式中，△L為試樣總膨脹量變化(加熱或冷卻時(shí));△LV為相變組織體積效應(yīng)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(shù)為常數(shù)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(shí)沒有發(fā)生相變(即△LV=0)，則總膨脹量隨溫度呈線性變化(即此時(shí)△L=α·△T)，得出來的曲線應(yīng)該是直線;但當(dāng)相變發(fā)生時(shí)，就破壞了這種線性關(guān)系。因此，可根據(jù)試樣總膨脹量變化來計(jì)算相變組織體積效應(yīng)，從而來估算相變組織的相對含量。

溫度-膨脹量關(guān)系曲線如圖1所示，A、C、E、G為過相變點(diǎn)和橫軸垂直直線與溫度 -膨脹量曲線的交點(diǎn)，a、b分別為加熱和冷卻時(shí)的溫度 -膨脹量關(guān)系曲線，BB'為用切線法做出的切線，B'為其與CD的交點(diǎn)。在高溫處由于加熱和冷卻會(huì)發(fā)生相變(加熱時(shí)，鐵素體和珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變;冷卻時(shí)，奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變)，當(dāng)過冷奧氏體從高溫冷卻下來，a、b兩條線發(fā)生了分離，AB的長度為由于相變而發(fā)生的總膨脹量。當(dāng)繼續(xù)冷卻，由于在B點(diǎn)發(fā)生相變，原本在tB'(B'的溫度)對應(yīng)的B'點(diǎn)卻出現(xiàn)在D點(diǎn)位置，則在D點(diǎn)相變組織的相對含量為DB'/CB'，即為(CB'-CD)/CB'。若在此不發(fā)生相變，a、b兩條線從高溫冷卻下來應(yīng)保持平行(因?yàn)榕蛎浺驍?shù)都為假定的常數(shù)α)，故在此AB與CB'應(yīng)近似相等，所以得到在D點(diǎn)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(fā)生轉(zhuǎn)變，不考慮有殘余奧氏體)，同理可以得到中低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物含量分別為(CD-EF)/AB和(EF-GH)/AB，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。表1中，F(xiàn)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(guān)系曲線及杠桿法測相對組織含量

表1 冷速及其對應(yīng)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)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(jì)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(jié)合轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織相對含量、相應(yīng)硬度測試結(jié)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(jìn)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(xù)冷卻相轉(zhuǎn)變曲線

從表1可以看出:當(dāng)冷速為0.1℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中全部為鐵素體和珠光體;當(dāng)冷速為0.6℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中鐵素體和珠光體僅占2%，而貝氏體卻占98%;當(dāng)冷速為1.0℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物大部分為貝氏體(占91%)，而馬氏體占9%;當(dāng)冷速為20.0℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)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(jì)算的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織體積分?jǐn)?shù)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(zhuǎn)變產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)和硬度數(shù)值，用OriginPro軟件做圖，得到圖4所示的冷卻速度對轉(zhuǎn)變產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)和硬度的影響關(guān)系曲線。

3 結(jié)論

(1)繪制不同冷速下的溫度-膨脹量曲線，結(jié)合杠桿法計(jì)算出轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)，并測定了轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的硬度。(2)當(dāng)冷速不超過0.1℃/s時(shí)，鐵素體和珠光體體積分?jǐn)?shù)為100%;當(dāng)冷速為0.6℃/s時(shí)，貝氏體含量最高，體積分?jǐn)?shù)為 98%;當(dāng)冷速為0.7℃/s時(shí)，開始出現(xiàn)馬氏體，其體積分?jǐn)?shù)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(dāng)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(zhuǎn)變產(chǎn)物的硬度逐漸增大。

圖4 冷卻速度對轉(zhuǎn)變產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)和硬度的影響關(guān)系曲線

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