沈 慧， 劉云鵬， 斯庭智

(安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243002)

4330鋼通過調(diào)整元素含量及改進熱處理工藝可獲得具有更加優(yōu)異力學(xué)性能的4330M鋼[1-2]，可廣泛應(yīng)用于航空航天、石油和天然氣開采等工業(yè)領(lǐng)域。4330M鋼中Ni含量的增加可顯著增強鐵素體基體強度，Mo和V的加入可在回火過程中起到二次硬化的作用[3-4]。另外合金元素的添加可大幅提高4330M鋼的淬透性。大型鍛件在鍛造和熱處理冷卻過程中，橫截面冷卻速率不同會導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生較大差異[5]，此外，鋼材內(nèi)部存在嚴重的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力會大大增加裂紋形核的潛在風(fēng)險，甚至直接誘發(fā)裂紋[6]。尤其在中碳合金鋼冷卻過程中，冷卻速率增大后可促進組織由鐵素體+珠光體向馬氏體轉(zhuǎn)變，直接導(dǎo)致其強度增加，韌性降低[7]。4330鋼冷卻過程中被證實有馬氏體、粒狀貝氏體以及下貝氏體相變的存在[8-9]，Tomita[10]的研究表明，硅改性4330鋼經(jīng)320 ℃短時等溫處理后可獲得馬氏體、貝氏體和殘留奧氏體等多相組織，且針狀貝氏體和薄膜狀奧氏體能起到延緩裂紋擴展和釋放應(yīng)力的作用，從而提高斷裂韌性。因此認為4330M鋼室溫組織與冷卻速率密切相關(guān)，但其組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變機理尚不明確，值得深入研究。

連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線作為冶金領(lǐng)域科學(xué)研究的重要工具，不僅可以建立冷卻速率、組織結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，還可以用于優(yōu)化成分、設(shè)計熱加工工藝以及預(yù)測鋼材各方面的性能[11-12]。本文通過熱膨脹曲線、彩色金相、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)等方法，對4330M鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為進行研究。此外，依據(jù)彩色金相定量分析各組分的體積分數(shù)，建立硬度-體積分數(shù)模型，預(yù)測布氏硬度值。

1 試驗材料與方法

試驗材料為采用電爐冶煉、爐外精煉以及真空脫氣等工藝生產(chǎn)的4330M合金鋼，其化學(xué)成分見表1。將4330M鋼線切割為如圖1所示的圓柱體試樣，使用Gleeble-3500熱模擬試驗機對其進行連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變試驗。試樣以5 ℃/s的速率加熱至900 ℃保溫5 min，隨后分別以0.08、0.1、0.158、0.167、0.2、0.3、0.4、0.5、1、3、5、10 ℃/s的冷卻速率冷卻至室溫。

表1 4330M鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分數(shù), %)Table 1 Chemical composition of the 4330M steel (mass fraction, %)

圖1 熱模擬試樣Fig.1 Specimen for thermal simulation test

熱模擬試驗結(jié)束后，從試樣中間切取φ6 mm×6 mm 圓柱形試樣(如圖1所示)用于顯微組織觀察和硬度測試。先將金相試樣觀察面研磨、拋光至鏡面，然后用Lepera腐蝕劑(1%Na2S2O5水溶液和4%苦味酸乙醇溶液配制的混合溶液)進行腐蝕[13]，再使用MDS-200數(shù)碼光學(xué)顯微鏡拍攝彩色金相照片，并用Image-Pro軟件對試樣中多相組織進行定量分析。SEM試樣經(jīng)體積分數(shù)為4%硝酸酒精溶液腐蝕后，用MIRA3掃描電鏡(SEM)觀察組織結(jié)構(gòu)，加速電壓20 kV。TEM試樣先用不同粒度砂紙機械研磨至30 μm，然后用Gatan 691離子減薄儀進一步減薄，再在200 kV條件下用Tecnai G2 F20透射電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)，并結(jié)合選區(qū)電子衍射(SAED)圖對相結(jié)構(gòu)進行識別。

為建立硬度-體積分數(shù)模型，使用HV-1000硬度計測量各顯微組織的維氏硬度，加載載荷砝碼200 g，加載時間為15 s，每個試樣進行8次測量后取平均值。使用DHB-300布氏硬度計測試試樣的布氏硬度，加載載荷砝碼為750 kg，加載時間為15 s。

初始奧氏體晶粒尺寸對CCT曲線影響較大，因此本文首先測得試驗鋼的初始奧氏體晶粒平均尺寸約為16.5 μm(晶粒度為8.5級)。然后采用切線法得到熱膨脹曲線的轉(zhuǎn)變起始溫度Ts和轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Tf，再根據(jù)顯微組織分析和硬度測試結(jié)果確定轉(zhuǎn)變類型，在溫度-時間對數(shù)坐標上繪制相變溫度曲線和冷卻速率曲線，最終得到連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 組織結(jié)構(gòu)表征與定量分析

圖2 不同冷卻速率下試驗鋼的彩色金相照片F(xiàn)ig.2 Color metallograph images of the tested steel under different cooling rates(a) 0.1 ℃/s; (b) 0.4 ℃/s; (c) 3 ℃/s

表2 不同冷卻速率下試驗鋼的顯微組織定量分析結(jié)果Table 2 Microstructure quantitative analysis results of the tested steel under different cooling rates

圖3 不同冷卻速率下試驗鋼的SEM圖Fig.3 SEM images of the tested steel under different cooling rates (a) 0.1 ℃/s; (b,c) 0.4 ℃/s; (d) 3 ℃/s

圖4 不同冷卻速率下試驗鋼的TEM圖Fig.4 TEM images of the tested steel under different cooling rates(a,c) 0.4 ℃/s; (b,d) 3 ℃/s

隨著冷卻速率的增加，相變會逐漸延遲到低溫區(qū)，從而降低碳原子在奧氏體中的擴散能力，縮短碳原子在奧氏體中擴散距離，導(dǎo)致貝氏體體積分數(shù)減小。當(dāng)試驗鋼以1 ℃/s的速率冷卻時，貝氏體的體積分數(shù)降低為23%，馬氏體體積分數(shù)增大至77%(如表2所示)。又因為鋼中各組織的強度大小為馬氏體>貝氏體>鐵素體，所以試樣在中等冷速(0.2～1 ℃/s)下，較高的馬氏體占比會導(dǎo)致硬度上升。

當(dāng)冷卻速率為3～10 ℃/s時，4330M鋼的組織為全馬氏體，表明當(dāng)冷卻速率≥3 ℃/s時，4330M鋼在高于Ms點的溫度下過冷奧氏體不發(fā)生分解，而溫度低于Ms點時晶格重組僅受剪切機制控制，碳原子和鐵原子無法擴散，所以形成完全馬氏體組織。圖2(c)、圖3(d)和圖4(b)分別顯示了冷卻速率為3 ℃/s時的彩色金相照片、SEM圖像和TEM形態(tài)特征，均為完全馬氏體組織，由圖4(d)也可確定為標準的馬氏體衍射斑點。由于馬氏體的強化作用，全馬氏體組織的4330M鋼硬度達到477 HBW(見圖5)。

圖5 試驗鋼不同冷卻速率下的熱膨脹曲線(a)和CCT曲線(b)Fig.5 Thermal dilatation curves(a) and CCT curves(b) of the tested steel under different cooling rates

2.2 CCT曲線特征

4330M鋼不同冷卻速率下的熱膨脹曲線如圖5所示。由于存在熱脹冷縮效應(yīng)，因此試樣在加熱-保溫-冷卻過程中體積會隨溫度變化而改變，并且各相體積大小的順序為：奧氏體<鐵素體<珠光體<貝氏體<馬氏體。所以發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變時會發(fā)生體積膨脹，并反映在熱膨脹曲線上，據(jù)此可用切線法得出奧氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度Ts和結(jié)束溫度Tf，結(jié)合金相-硬度法確定轉(zhuǎn)變類型，最終得出如圖5(b)所示的4330M鋼CCT曲線。

根據(jù)熱膨脹曲線可以得出4330M鋼的臨界相變溫度平均值A(chǔ)c1=718 ℃、Ac3=793 ℃和Ms=335 ℃。通過對比發(fā)現(xiàn)，該結(jié)果比Trzaska模型[19]計算的臨界相變溫度(Ac1=696 ℃、Ac3=773 ℃和Ms=316 ℃)均高約20 ℃，試驗測定值與模型計算值有一定的偏差，其原因可能是實際試驗參數(shù)與合金元素的共同作用導(dǎo)致的，而Trzaska的模型中并沒有考慮這兩方面因素的影響，所以該模型在準確預(yù)測臨界相變溫度方面存在一定的局限性。此外，使用JMatPro軟件模擬計算材料的相圖時只需要化學(xué)成分、奧氏體化溫度及晶粒尺寸等基本數(shù)據(jù)，即可在短時間內(nèi)獲得預(yù)測結(jié)果，極大加快了鋼材的設(shè)計過程。因此本試驗使用JMatPro 9.0軟件模擬計算了4330M鋼的臨界相變溫度，分別為Ac1=724 ℃、Ac3=735 ℃、Ms=303 ℃和Mf=183 ℃，該模擬值也與試驗值存在一定的差異，其原因可能為：①實 測粒徑(8.5級)大于模擬粒徑(9.0級)，粗大的原始組織和少量的相界面延緩了相變，導(dǎo)致Ac3溫度升高，且奧氏體晶粒粗大使得晶界的阻礙作用減小，導(dǎo)致Ms溫度升高[20]。②通過軟件模擬冷卻過程中碳分配對最終組織的影響時存在一定局限性[21]。③熱膨脹法忽略了碳在殘留奧氏體中富集后會引起應(yīng)變增加這一因素[22]。

由圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，4330M鋼CCT曲線中僅含有鐵素體、貝氏體和馬氏體相變區(qū)，沒有出現(xiàn)珠光體相變區(qū)。這是由于4330M鋼中含有較高的Cr、Ni、Mo合金元素，其中Cr和Ni可以提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，而Mo為抑制珠光體轉(zhuǎn)變的合金元素，所以在0.08～10 ℃/s冷卻速率范圍內(nèi)，在合金元素的共同作用會增加孕育時間，抑制珠光體轉(zhuǎn)變。

從圖5(b)還可以看出，隨著冷卻速率的增加，貝氏體相變起始溫度逐漸降低。在0.2～1 ℃/s冷卻速率范圍內(nèi)，貝氏體和馬氏體相變并存。貝氏體鐵素體形核長大過程中，碳原子會從鐵素體擴散到相鄰的奧氏體，穩(wěn)定奧氏體化學(xué)成分的同時還可以阻礙貝氏體相變，降低馬氏體轉(zhuǎn)變的初始溫度[23]，因此4330M鋼的馬氏體相變曲線向低溫區(qū)偏移。相似地，Qiao等[24]的研究也表明，在足夠快的冷卻速率下，富碳的殘留奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶馬氏體，使得相變發(fā)生停滯。另外，4330M鋼發(fā)生馬氏體相變的臨界冷卻速率約為3 ℃/s，這表明4330M鋼具有很高的淬透性。當(dāng)冷卻速率從0.08 ℃/s上升為10 ℃/s時，硬度由330 HBW增加到488 HBW，這表明試樣在不同冷卻速率下形成了強度不同的組織。

2.3 硬度-體積分數(shù)模型

在大量試驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建化學(xué)成分、冷卻速率或/和奧氏體化溫度的函數(shù)建立硬度模型，結(jié)合硬度測試結(jié)果就有可能預(yù)測4330M鋼冷卻過程中的性能。研究表明[25]，具有混合組織結(jié)構(gòu)的鋼材，其總硬度取決于維氏硬度(HV)和各組分的體積分數(shù)。采用維氏顯微硬度計測量試驗鋼在不同冷速下獲得的粒狀貝氏體、針狀下貝氏體和馬氏體的維氏硬度值，其硬度平均值分別為353、423和601 HV0.2。由于試樣中鐵素體占的比例很小，維氏硬度難以測量，而鐵素體的硬度又主要取決于C、N等間隙原子的固溶強化，4340和4330M鋼中C含量分別為0.36%和0.31%，碳在鐵素體中的最大固溶度僅為0.021%，可以認為兩種鋼在平衡時鐵素體中碳含量相近。因此，本文采用文獻[26]給出的4330鋼中鐵素體的維氏硬度值，其值為210 HV。Trzaska[27]構(gòu)建了式(1)所示的多相鋼經(jīng)典硬度預(yù)測模型。由表2可知，4330M鋼冷卻過程中貝氏體存在粒狀貝氏體和下貝氏體兩種組織，其硬度值存在較大差異。因此，本文在式(1)的基礎(chǔ)上納入兩種不同類型的貝氏體組織，并在每項參數(shù)前添加了回歸系數(shù)，構(gòu)建4330M鋼硬度-體積分數(shù)模型，如式(2)所示：

HBW=(%FP·HVF-P+%B·HVB+%M·HVM)/100

(1)

HBW=a0+a1·HVF·fF+a2·HVGB·fGB+a3·

HVLB·fLB+a4·HVM·fM

(2)

式中：a0、a1、a2、a3和a4為回歸系數(shù)，HVi和fi(i=F、GB、LB和M)分別為鐵素體、粒狀貝氏體、下貝氏體及馬氏體的硬度平均值及體積分數(shù)。利用SPSS軟件進行非線性回歸分析，得到回歸系數(shù)值a0=-0.07、a1=-4.69、a2=4.02、a3=4.63、a4=4.82，再將各值代入公式(1)可以得到4330M鋼的硬度-體積分數(shù)模型為：

HBW=-0.07-4.69fF+4.02fGB+4.63fLB+4.82fM

(3)

根據(jù)公式(3)計算得出試驗鋼不同冷速下的布氏硬度，將計算值與圖5(b)中測量的試驗值進行對比，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，布氏硬度的計算值與試驗值吻合較好(相關(guān)系數(shù)R2=0.991)，表明該模型適用于4330M鋼布氏硬度值的準確預(yù)測。

圖6 不同冷速下試驗鋼的布氏硬度試驗值與計算值對比Fig.6 Comparison of the measured and calculated Brinell hardness of the tested steel under different cooling rates

3 結(jié)論

2) 通過熱膨脹法得出4330M鋼的Ac1、Ac3、Ms和Mf溫度分別為718、793、335和177 ℃，結(jié)合金相-硬度法得出4330M鋼的CCT曲線，其中包含鐵素體、貝氏體和馬氏體相變區(qū)，沒有珠光體相變區(qū)，馬氏體相變臨界冷卻速率約為3 ℃/s。

3) 通過彩色定量金相和顯微硬度測量構(gòu)建了4330M鋼的硬度-體積分數(shù)模型，為HBW=-0.07-4.69fF+4.02fGB+4.63fLB+4.82fM。