楊曉斌， 董 紀， 田春英， 寧保群， 趙 倩， 喬志霞， 劉永長

(1. 天津中德應用技術(shù)大學 機械工程學院， 天津 300350;2. 天津理工大學 材料科學與工程學院， 天津 300384；3. 天津商業(yè)大學 機械工程學院， 天津 300134；4. 天津大學 材料科學與工程學院 水利安全與仿真國家重點實驗室， 天津 300354)

近幾十年來，強磁場器件的普及使金屬材料相變成為研究熱點[1-2]，磁場作為調(diào)節(jié)材料組織和性能的一種有效手段，能夠以無接觸方式將高強度能量傳遞到物質(zhì)原子尺度，影響物質(zhì)原子匹配、排列和遷移等[3]。當磁場作用于材料的相變過程時，可以有效改變新舊兩相之間的相變動力學及熱力學條件，并對相變產(chǎn)物形核、長大、形態(tài)及分布產(chǎn)生影響[4-5]。在回火處理過程中加入磁場，研究磁場熱處理對超高強度鋼組織調(diào)控及碳化物種類、形態(tài)、尺寸和演變規(guī)律的影響，并加深磁場熱處理對鋼的強韌化機制認識，是探究和改善超高強度鋼強韌性的一種重要手段和方法。

國內(nèi)外學者對磁場條件下鋼鐵材料相變、微觀結(jié)構(gòu)和晶界特征進行了大量研究與探索，并在磁場相變研究領(lǐng)域取得一定進展[6]。近年來，研究人員圍繞磁場熱處理對碳化物種類、形態(tài)、演變規(guī)律與析出機制進行研究，主要從以下兩個方面展開：一方面是在回火熱處理過程中施加磁場會改變碳化物應變能和界面能，進而影響其形核和長大；另一方面是不同類型碳化物具有不同磁化強度，磁場的施加可以通過改變碳化物磁矩來影響合金碳化物磁吉布斯自由能，導致其碳化物自由能變化量存在差異，影響碳化物析出順序[7]，這為改善超高強度鋼強韌性提供了一種新思路。

Zhou等[8]研究表明，在Fe-C-Mo合金中12 T磁場能夠促進M6C型碳化物析出，并定性研究了M6C、M2C、M3C與基體之間的相對磁自由能變化，闡明由于高溫下碳化物從鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，導致磁場對高溫下碳化物析出幾乎無影響。Xia等[9]研究了有無磁場作用下熱處理過程對碳化物長大規(guī)律和材料力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)磁場的施加可以增加碳化物與基體之間界面能，阻礙棒狀M23C6碳化物沿晶界生長并促進其球化。Hou等[10]研究了2.25Cr-Mo合金在低溫回火過程中碳化物析出規(guī)律，通過計算M2C、M3C、M7C3和M23C6四種碳化物磁自由能改變量，確定磁場的添加能夠促進穩(wěn)定碳化物M23C6的析出。目前，關(guān)于磁場對含有復合微合金元素的超高強度鋼中碳化物析出的影響機制仍缺乏統(tǒng)一認識，有待進一步深入研究。

在前期研究工作基礎(chǔ)上[11]，本文通過研究25CrMo48V微合金化超高強度鋼回火過程中磁場與微觀組織和力學性能之間的關(guān)系，進一步闡明磁場熱處理在控制碳化物種類、形貌、尺寸及分布方面所起到的獨特作用，在磁場熱處理影響材料力學性能方面提供基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)和理論指導。

1 試驗材料及方法

1.1 材料與加工

試驗采用25CrMo48V鋼作為研究對象，采用電弧爐冶煉、連鑄連軋等技術(shù)制備出無縫鋼管，其主要化學成分如表1所示。試驗鋼在1000 ℃下進行30 min奧氏體化處理，水淬至室溫，利用線切割機將25CrMo48V鋼加工成10 mm×10 mm×80 mm塊狀試樣，將試樣放入1 T磁場熱處理爐中(SK10-?20 250-BYL)在200～600 ℃[11]溫度范圍內(nèi)分別進行1 h回火處理。

表1 試驗用25CrMo48V鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 顯微組織觀察

將試樣進行磁場熱處理后，為觀察回火過程中組織演變，將獲得的試樣采用線切割機沿徑向切開，對切面進行研磨、拋光，制備金相試樣，試樣經(jīng)4%硝酸酒精侵蝕后利用掃描電鏡(SEM，Sigma 300，20 kV)觀察試樣組織形貌。利用透射電鏡(TEM，JEOL-100CX-II，200 kV)觀察試樣中馬氏體板條尺寸，析出物尺寸、形態(tài)和分布情況，并采用Image Pro Plus分析軟件對馬氏體板條寬度進行測定。將用于微觀結(jié)構(gòu)觀察的TEM試樣利用線切割機切片至500 μm，用砂紙減薄至50 μm，沖孔機沖裁出φ3 mm透射電鏡試樣，在7%高氯酸和93%乙醇溶液中通過雙噴射拋光機進行拋光處理。此外，通過碳膜復型法分析研究析出物尺寸、形態(tài)、分布和化學成分，確定析出物的類型，電子背散射衍射(EBSD)試驗首先利用線切割機將試樣加工成5 mm×5 mm×1 mm小方塊，分別用由粗到細的砂紙研磨后進行機械拋光，在10%高氯酸和90%酒精溶液中進行電解拋光，電壓為20 V左右，拋光時間為8～12 s。利用電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)對其晶體取向進行表征，運行電壓10 kV，工作距離30 mm，試驗過程中試樣表面與電子束呈70°入射角，掃描步長為0.2 μm，工作面積為56.6 μm×42.4 μm，采用HKL Channel 5軟件對EBSD數(shù)據(jù)進行分析處理。

1.3 力學性能測試

采用力學試驗機Instron 5565視頻引伸計對試樣進行力學性能測試，圖1為通過線切割機從回火試樣中制備的拉伸試樣，采用掃描電鏡觀察其斷口形貌。利用MH-6型維氏硬度計測定試樣硬度，載荷砝碼為100 g，在試樣表面均勻選取12個點測量其維氏硬度，取其平均值作為該試樣的顯微硬度值。

圖1 拉伸試樣示意圖

2 試驗結(jié)果

2.1 微觀組織

回火過程中試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)演變通常包括合金碳化物析出、殘留奧氏體分解以及馬氏體回復和再結(jié)晶過程。圖2為1 T磁場作用下不同溫度回火后試樣的顯微組織，可觀察到當試驗鋼在200～600 ℃回火1 h 后，隨著回火溫度升高，試樣微觀組織結(jié)構(gòu)中馬氏體板條寬度逐漸增加，板條形貌逐漸消失。

Colonoscopy revealed a subcentimeter colon polyp located 20 cm from the anal verge.

圖2 1 T磁場作用下不同溫度回火后試樣的光學顯微組織

鋼鐵材料中晶界結(jié)構(gòu)對材料的力學性能具有重要影響，晶界一般根據(jù)晶粒取向不同可以分為大角度晶界(>15°)和小角度晶界(<15°)[4]。在回火馬氏體中，馬氏體板條塊晶界、馬氏體條束晶界以及原奧氏體晶界均屬于大角度晶界，板條界則屬于小角度晶界，與大角度晶界相比，馬氏體組織中小角度晶界能量更低，更有利于穩(wěn)定馬氏體組織，通過小角度晶界含量可以反映回火馬氏體鋼中板條馬氏體含量及其回復程度[12]。

本文采用EBSD研究磁場作用下不同回火溫度對馬氏體組織回復的影響，其晶粒取向分布圖可以清楚地揭示所研究超高強度鋼中馬氏體典型形貌特征。圖3(a1～e1)為試樣在1 T磁場作用下不同溫度回火試樣的晶粒取向分布圖，可以看出，隨著回火溫度升高，試樣組織內(nèi)部馬氏體板條形貌逐漸消失，馬氏體回復顯著，這與圖2觀察到的光學顯微組織結(jié)果相吻合。圖3(a2～e2)顯示了試樣回火后的晶界圖像，結(jié)合圖4(a) 可以發(fā)現(xiàn)，隨著回火溫度升高，黑色大角度晶界逐漸增加，灰色小角度晶界逐漸減少，更進一步說明其馬氏體回復加劇。

圖3(a3～e3)分別為1 T磁場作用下不同溫度回火試樣中板條馬氏體的TEM照片，可以觀察到回火馬氏體基體形態(tài)主要為板條馬氏體，馬氏體板條寬度分別約為73.68、120.57、188.86、249.14和264.52 nm，其寬度隨回火溫度的升高逐漸增加，主要原因是隨著回火溫度的升高，板條馬氏體回復顯著，形成亞晶組織，亞晶界開始合并引起板條界消失，導致馬氏體板條寬度逐漸增加[13]。

圖3 1 T磁場作用下不同溫度回火后試樣的晶粒取向分布(a1～e1)、晶界(a2～e2)及板條馬氏體的TEM照片(a3～e3)

如圖4(b)所示，相比與常規(guī)回火條件[11]，施加磁場后試樣的馬氏體板條明顯變窄，這表明磁場回火熱處理能夠抑制馬氏體板條合并，這是由于磁場的施加會促使基體組織中碳化物與可移動位錯之間交互作用加劇，導致試樣中位錯密度增加，產(chǎn)生額外的應變能，從而抑制小角度晶界向大角度晶界轉(zhuǎn)變，提高了馬氏體板條穩(wěn)定性[14]。

圖4 1 T磁場作用下不同溫度回火試樣的晶界統(tǒng)計(a)和馬氏體板條寬度的變化(b)

2.2 碳化物的析出

圖5分別顯示了200 ℃回火試樣中析出物的TEM照片及衍射斑標定。在施加1 T磁場后，可以觀察到有針狀、棒狀和不規(guī)則塊狀析出物析出。通過衍射斑標定分析識別馬氏體板條內(nèi)部合金碳化物，可以確定圖5(a)中針狀析出物為M3C型析出物(PDF:35-0787)，結(jié)構(gòu)為正交立方結(jié)構(gòu)。圖5(b)為在晶界和亞晶界處析出的較大尺寸棒狀析出物和在基體內(nèi)部析出的不規(guī)則塊狀析出物。對兩種析出物進行衍射斑標定可以確定這兩種析出物均為復雜立方結(jié)構(gòu)，此類析出物為M23C6型碳化物(PDF：78-1499)。

圖5 試樣在1 T磁場作用下200 ℃回火后析出相的TEM照片及衍射斑標定

25CrMo48V鋼在1 T磁場作用下500 ℃回火后析出物的TEM照片如圖6所示。對圖6(a，b)中析出物進行衍射斑標定結(jié)合能譜圖分析識別，可以確定這兩種析出物均具有密排六方結(jié)構(gòu)(α=β=90°，γ=120°)，其中圖6(a)中短棒狀析出物主要富含F(xiàn)e、C及少量的Mo和Cr等，可以確定為M2C型碳化物(PDF：35-0787)。圖6(b)中長線狀析出物主要含F(xiàn)e、C、Cr和Nb等，確定該長線狀析出物為M7C3型碳化物(PDF：05-0720)。隨著回火溫度的升高，比較圖5(b)和圖6(c),可以看出M23C6型碳化物逐漸粗化。如圖7(a)所示，隨著回火溫度從500 ℃升高到600 ℃時，更多的M7C3碳化物逐漸演變?yōu)镸23C6碳化物。

圖6 試樣在1 T磁場作用下500 ℃回火后析出相的TEM照片、衍射斑標定及EDS分析

圖7 1 T磁場作用下600 ℃回火試樣中碳化物的TEM照片(a)及衍射斑標定(b)

圖8(a，c)分別顯示了25CrMo48V鋼在1 T磁場作用下200 ℃回火后兩種MC型析出物的TEM照片及衍射斑標定，可以觀察到兩種MC型碳化物形貌分別為方形和小球形，其結(jié)構(gòu)均為面心立方結(jié)構(gòu)(α=β=γ=90°)，方形析出物平均尺寸約為64.23 nm，處于彌散分布狀態(tài)的小球形粒子平均尺寸約為4.17 nm。同時結(jié)合能譜圖進一步分析可以確定圖8(a)中方形碳化物中富含F(xiàn)e、V、C、Ti以及少量Cr和Nb，為富Ti-MC型碳化物(PDF:65-7931)，圖8(c)中小球形析出物中主要富含Nb及少量的V和Ti，為富Nb-MC型碳化物(PDF:47-1418)。如圖8(e，f)所示，在600 ℃回火試樣中兩種MC型碳化物尺寸分別約為65.17 nm和5.23 nm，與200 ℃回火試樣相比，尺寸沒有顯著變化，這表明富Ti-MC與富Nb-MC型碳化物具有高的熱穩(wěn)定性，并且一旦形成就是平衡相[15]。

圖8 1 T磁場作用下不同溫度回火試樣中兩種MC型碳化物TEM照片、衍射斑標定及EDS分析

綜上所述，磁場作用下試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)和碳化物析出順序與回火溫度有關(guān)，不同回火溫度下試樣的碳化物析出類型逐漸變化，當回火溫度為200 ℃時，試驗鋼的碳化物分別為M3C、M23C6和兩種MC型碳化物；當回火溫度為500 ℃時，部分M3C逐漸被M2C取代，并有相當一部分M7C3型碳化物析出；當回火溫度為600 ℃時，試樣中析出的M2C、M7C3和M23C6型碳化物逐漸粗化。

2.3 力學性能分析

通過分析試樣應力-應變曲線，可深入了解材料在外力作用下的變形過程，以及微觀組織結(jié)構(gòu)對材料屈服及拉伸斷裂過程的影響[16]。圖9(a)為試樣在1 T磁場作用下不同溫度回火后的拉伸應力-應變曲線，可以看出其應力-應變曲線均不存在明顯的屈服平臺，無明顯屈服點，表現(xiàn)為連續(xù)屈服特征。同時試樣在不同回火溫度下的彈性變形階段基本相同，發(fā)生塑性變形后出現(xiàn)的變形強化階段持續(xù)時間較短，緊接著承載應力開始逐步降低發(fā)生斷裂。

試樣在200～600 ℃范圍內(nèi)進行磁場回火處理后的屈服強度(以Rp0.2計)、抗拉強度(Rm)和斷后伸長率(A)隨回火溫度的變化規(guī)律如圖9(b)所示，可以看出當回火溫度逐漸升高時，屈服強度起伏變化不明顯，而試樣抗拉強度存在2個不同變化趨勢的區(qū)域，其中回火溫度在200～400 ℃時，在試驗誤差范圍內(nèi)抗拉強度變化程度不大，其強度為1156 MPa左右，一方面由于隨著回火溫度的升高，板條馬氏體寬度逐漸增加，試樣強度有降低趨勢，但與此同時隨著不同類型碳化物析出，其析出強化作用促使試樣強度增加，抵消了馬氏體板條增粗帶來強度降低的影響，導致強度基本保持不變。在回火溫度為500～600 ℃時，抗拉強度逐漸升高到1200 MPa，試樣中有M2C和M7C3型碳化物析出，碳化物析出強化作用明顯，強度逐漸升高。并觀察到斷后伸長率(A)在200～500 ℃區(qū)間內(nèi)隨回火溫度升高而緩慢下降，這是由于隨著回火溫度升高，試樣中殘留奧氏體逐漸消失[11]，導致斷后伸長率逐漸下降，而在較高回火溫度區(qū)間(500～600 ℃)內(nèi)，試樣的斷后伸長率從21%逐漸升高到26%。這可能是由于試樣中塊狀殘留奧氏體逐漸演變?yōu)楸∧頪17]，對試樣的塑性具有增強作用，提高了試樣斷后伸長率。

經(jīng)磁場回火處理后試樣維氏硬度值與基體中馬氏體板條合并、殘留奧氏體分解以及碳化物析出強化作用相關(guān)。試樣硬度隨回火溫度升高的變化趨勢如圖9(c)所示，當回火溫度在200～400 ℃時，材料的硬度逐漸從360 HV0.1降低到345 HV0.1。這是由于隨著回火溫度升高，馬氏體板條逐漸粗化，位錯密度逐漸降低，導致材料硬度逐漸降低。當回火溫度在400～600 ℃時，材料的硬度逐漸從345 HV0.1升高到390 HV0.1。這是由于試樣中在回火過程中可以析出具有二次硬化作用的M2C型碳化物，增強了試驗鋼對回火軟化的抗力，甚至提高材料的硬度，因此試樣硬度逐漸增加。

圖9 1 T磁場作用下不同溫度回火試樣的力學性能

1 T磁場作用下不同回火溫度拉伸試樣斷口形貌如圖10所示，從SEM圖片可以看出，試樣的拉伸斷口在微觀上均表現(xiàn)為韌性斷裂，形貌分別由較粗大韌窩和周圍均勻分布的等軸韌窩組成，韌窩作為典型的韌性斷裂特征，其形狀和尺寸可以反映試驗鋼斷裂時吸收能量的多少，進而反映試驗鋼塑性強弱，大而深的韌窩組織能夠反映試驗鋼擁有較強的塑性變形能力，以及抵抗裂紋形成和擴展的能力[18]。在不同回火溫度試樣中，600 ℃時試樣的韌窩尺寸最大，深度最深，其中較大的韌窩可能是不同類型碳化物析出造成的，較小的韌窩則與材料本身的特性有關(guān)，這與試樣的力學性能指標測試結(jié)果基本一致。

圖10 1 T磁場作用下不同溫度回火后試樣的拉伸斷口形貌

3 分析與討論

3.1 1 T磁場對碳化物析出順序的影響

當材料進行回火處理時，在較低回火溫度下亞穩(wěn)態(tài)碳化物率先析出，隨著回火溫度升高，亞穩(wěn)態(tài)合金碳化物逐漸溶解，被更穩(wěn)定的碳化物取代，闡明回火過程中不同類型碳化物的析出行為一直是國內(nèi)外學者研究熱點。本試驗研究結(jié)果表明，25CrMo48V超高強度鋼在有無磁場作用下[11]兩種MC型碳化物均能穩(wěn)定存在且尺寸變化不大，這意味著1 T磁場對兩種MC型碳化物尺寸、形貌及化學成分沒有產(chǎn)生明顯影響，其他碳化物析出順序如表2所示，可以看出與常規(guī)回火試樣相比，磁場作用下M23C6型碳化物在不同回火溫度范圍內(nèi)均有析出，除此之外M7C3型碳化物在500 ℃回火時提前析出，M3C型碳化物基本消失，由此可知，1 T磁場對M23C6和M7C3型碳化物析出具有促進作用。

表2 有、無磁場條件下回火過程中試驗鋼碳化物的析出順序

以往研究結(jié)果表明[6]，相對于M2C和M3C型碳化物，施加磁場能有效促進M23C6和M7C3型碳化物的析出，原因是由于碳化物析出順序的改變與其吉布斯自由能有關(guān)，外加磁場通過降低合金碳化物的磁自由能來改變碳化物析出順序[10]。碳化物總的吉布斯自由能公式如式(1)所示：

(1)

(2)

M=NmBj(α)

(3)

(4)

(5)

式中：N為單位體積原子數(shù)；m為合金碳化物磁矩；Bj(α) 為布里淵方程，本文中j=1[21]為與原子總角動量有關(guān)的量子數(shù)；nB為有效的波爾磁子數(shù)；μB為波爾磁子；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。

在磁場作用下不同回火條件下試樣析出的合金碳化物會被逐漸磁化，從而產(chǎn)生一定磁化強度，碳化物的磁化強度可以定義為單位體積內(nèi)原子磁矩的總和，合金碳化物的磁矩主要來源于Fe原子內(nèi)層電子的非飽和自旋，主要由其晶體結(jié)構(gòu)和化學成分決定[22]，由公式(2)～(5)可知，外加磁場主要通過改變碳化物磁矩來影響合金碳化物磁吉布斯自由能。Zhang等[23]研究表明42CrMo鋼在磁場回火熱處理過程中，碳含量較低合金碳化物對應較高磁化強度，碳化物磁矩與其Fe原子含量成正比。表3為1 T磁場作用下兩種不同類型碳化物的溶質(zhì)原子濃度對比，可以發(fā)現(xiàn)磁場對M23C6和M7C3型碳化物中Fe的濃度有較大影響，磁場通過提高溶質(zhì)原子Fe的濃度可以顯著增強合金碳化物磁矩，導致這兩種碳化物具有較高磁化強度，合金碳化物磁吉布斯自由能隨其磁化強度增加而減小，從而促進了M23C6和M7C3型碳化物提前析出。

表3 試樣中M23C6和M7C3碳化物在有無磁場條件下置換型溶質(zhì)原子的濃度 (原子分數(shù)，%)

3.2 1 T磁場對力學性能的影響

為研究1 T磁場對25CrMo48V超高強度鋼不同溫度回火后力學性能的影響，前期研究已經(jīng)對常規(guī)回火試樣進行了硬度和拉伸試驗分析[11]。表4為有無磁場作用下試樣的力學性能對比，可以看出當試樣在1 T磁場作用下回火時，施加磁場后試樣的維氏硬度明顯增加，但其強度有降低趨勢。1 T磁場誘發(fā)的力學性能差異主要與3個方面有關(guān):①軟相殘留奧氏體的分解；②不同類型碳化物提前析出；③馬氏體固溶強化效應。

表4 有無磁場作用下回火后試樣的力學性能對比

與常規(guī)回火試樣相比，試樣強度降低應主要歸因于磁場作用下試樣在不同溫度回火時粗化的M23C6型合金碳化物提前析出，其沉淀強化效果與針狀M3C型碳化物相比明顯喪失，這對降低試樣的抗拉強度起主導作用。另外碳化物提前析出也會導致基體本身碳原子濃度降低，基體中固溶強化作用減弱，雖然磁場的施加會抑制板條馬氏體回復，馬氏體板條寬度與材料強度成反比，但其作用與碳化物析出強化作用和馬氏體固溶強化效應相對來說較弱，導致材料的強度與常規(guī)回火試樣相比有所下降。

1 T磁場作用下試樣硬度與常規(guī)回火試樣相比，可以清楚地看出，磁場熱處理對鋼的硬度影響很大，試樣經(jīng)回火后，兩者硬度變化趨勢大體相同，但在相同回火溫度下，磁性試樣的硬度高于正常試樣。這是由于金屬材料作為鐵磁性材料，基體中存在著許多大小和方向各異的小型磁化區(qū)域，即磁疇，在磁場作用下，金屬材料逐漸被磁化，基體內(nèi)部產(chǎn)生磁致伸縮效應，同時伴隨著磁疇轉(zhuǎn)動和磁疇壁的位移，磁疇壁阻礙了晶界或亞晶界遷移，延緩位錯恢復過程，引起基體內(nèi)部位錯結(jié)構(gòu)改變[24]，導致材料硬度增加。

4 結(jié)論

本文通過研究1 T磁場對25CrMo48V超高強度鋼不同回火溫度下組織、合金碳化物析出及力學性能的影響，主要成果總結(jié)如下:

1) 當試樣在1 T磁場作用下進行不同溫度回火處理時，隨著回火溫度的升高，試樣的板條馬氏體寬度逐漸增粗，大角度晶界比例逐漸升高，而與常規(guī)回火試樣相比，施加磁場后試樣的馬氏體板條寬度明顯變窄，磁場會抑制板條馬氏體的合并。

2) 在200 ℃回火過程中，1 T磁場促進了M23C6型碳化物的析出，試樣在500 ℃回火后，除M23C6型碳化物外，還有M7C3型碳化物提前析出，這主要是由于磁場通過提高溶質(zhì)鐵原子濃度來大大增加上述碳化物的磁矩，從而降低了合金碳化物的磁吉布斯自由能，促進其提前析出。

3) 25CrMo48V鋼的抗拉強度隨回火溫度的升高先基本保持不變隨后逐漸增加，試樣的斷后伸長率隨回火溫度的升高逐漸降低，但在600 ℃回火時升高到26%，試樣的維氏硬度在200～400 ℃范圍內(nèi)逐漸降低，400～600 ℃回火后硬度值逐漸增加。