高品质贝氏体钢的贝氏体铁素体和碳化物

蓊，，　高品质贝氏体钢的贝氏体铁素体和碳化物　考垦墨竺兰毽—！　ｆ姜江　。顾英妮。李斗星　一，ｒ钉｛　①　山东工业大学材料科学与工程学院（济南２５００６１）　②　中国科学脘金属研究所固体原子像开放研究实验室（沈阳１１００１５）　

【摘要】研制的贝氏体钢在锌态、锻后空冷和锻后正火回火后均可获得以贝氏体或贝氏体／马氏体为主的组织　加＾微量元素　使贝氏体组织细化　微合金化的贝氏体（包括马氏体）呈隐晶或细针状。贝氏体铁素体中有位错、亚结构、孪晶和层错荨丰富的精　细结构，碳化街弥散分布于贝氏体铁素体条『町、片内、亚条问和亚块边界。徽台金化所产生的细晶强化和弥敢强化对改善贝氏体　

塑墼堡些精细结构　回　ａｎｄ　Ｃａｒｂｉｄｅ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｂａｉｎｉｔｉｃ　Ｓｔｅｅｌｓ　Ｌｉ　Ｆｅｎｇｚｈａｏ０＠，Ａｏ　Ｑｉｎｇ￣，Ｊｉａｎｇ　Ｊｉａｎｇ￣０，Ｇｕ　Ｙｉｎｇｎｉ￣，Ｌｉ　Ｄｏｕｘｉｎｇ￣＇　①Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓ￣ｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｊｉｎ￣ｎ　２５００６１）　②Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ａｔｏｍｉｃ　Ｉｍａｇｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄｓ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ＋Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１００１５）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｂａｉｎｉｔｅ　ｏｒ　ｂａｉｎＪ．ｔｅ／ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ　ａｆｔｅｒ　ｃａｓｔｉｎｇ，ｆｏｒｇｉｎｇ　ａｎｄ　ａｉｒ　ｃｏｏｌｉｎｇ＋ａｎｄ　ｆｏｒｇｉｎｇ，ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｃａｒｂｉｄｅｓ　ａｎｄ　ａ　ｓｍａｌｌ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｒｅｔａｉｎｅｄ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｆｉｎｅ　ａｎｄ　ｕｎｉｆｏｒｍ．Ｔｈｅ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ—ａｌｌｏｙｉｎｇ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｃａｎ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｆｉｎｅ　ｔｈｅ　ｈａｉｎｉｔｉｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｈａｉｎｉｔｅ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｍａｒｔｅｒＬｓｉｔｅ）ｔｒｅａｔｅｄ　ｂｙ　ｍｉｃｒｏ—ａｌｌｏｙｉｎｇ　ｅ［ｅ－　ｍｅｎｔｓ　ｉｓ　ｈｉｄｄｅｎ—ｃｒｙｓｔａｌ　ａｎｄ　ｆｉｎｅ　ｎｅｅｄｌｅｓ．Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ，ｓｕｂｕｎｉｔｓ，ｔｗｉｎｓ　ａｎｄ　ｓｔａｃｋｉｎｇ　ｆａｕｌｔｓ　ａｂｕｎｄａｎｔ　ｆｉｎｅ　ｓｔｒｕｃ－　ｔｕｒｅｓ－Ｔｈｅｃａｒｂｉｄｅｓ　ｄｉｆｆｅｒｉｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ　ａｎｄ　ａｒｅ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｉｎ　ｂｅｔｗｅｅｎｌａｔｈｓ，ｉｎｓｉｄｅｔｈｅ　ｐｌａｔｅｓ　ａｎｄ　ｏｎｔｈｅ　ｈｏｕｎｄ－　ａｒｉｅｓ　ｏｆ　ｓｕｂｕｎｌｔｓ．Ｔｈｅ　ｆｉｎｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｃａｒｂｉｄｅ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｔｒｅａｔｅｄ　ｂｙ　ｍｉｃｒｏ—ａｌｌｏｙｉｎｇ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｉｎｉｔｆａ　ｓｔｅｅｌｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ—ａｌｌｏｙｉｎｇ　ｂａｉｎｉｔｉｃ　ｓｔｅｅｌ・ＳｔｒｌｌＣｔｔｔｒａｌ　ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ，ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ，ｆｉｎｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　５Ｏ年代，ＩｒｖｉｎｅＯ］首先发表了Ｉ／ＺＭｃ－Ｂ系贝氏体钢。１９７７　台金采用５０ｋｇ中频感应电炉冶炼，挠注成６０ｒａｍＸ　年，康诛狂荨发表了研制的Ｍｎ＊Ｃｒ—Ｍｏ—Ｂ低碳（０＇２Ｏ　Ｃ＋　６０ｒａｍＸ￣ＯＯｍｍ钢锭，热锻或轧制成直径为￣２５ｍｍ圆型和　０．５０　Ｍｏ）贝氏体钢　］。７０年代，方鸿生等发明了Ｍｎ－Ｂ系新　１２ｒａｍＸ１２ｍｍ方型毛坯＋９５０＂Ｃ退火后加工成拉伸试样和标　型空玲贝氏体钢【”，该类钢不需添加Ｍｏ和ｗ等贵重元素，　准ｖ型缺口冲击试样。　而是以Ｍｎ和Ｂ为主要元素进行台金化。　用ＲＥＩＣＨＥＲＴ一］ＵＮＬ和ＮＩＫＯＮ型金相显徽镜和ＪＥＯＬ　贝氏体钢空冷整体自硬，生产工艺简单，无需淬火处理，　ＪＡＸ一８４０扫描电镜观察试样金相组织和形貌。在冲击试样上　性能优越，成本低廉，因而引起广泛重视。　切取０．５ｒａｍ厚试片，磨至４０ｇｒｎ左右，再经离子减薄仪制成　但是，已有的贝氏体钢，显徽组织未褥捌明显细化，改善　透射电镜薄膜样品＋用ＪＥＯＬＨ一８００分析电子显徽镜和ＪＥＯＬ　台金设计、细化组织、增加钢的强韧性和耐磨性是贝氏体钢研　２０００　ＥＸ—Ｉ高分辨电子显微镜观察合金组织和精细结构。　究的新课题。更为重要的是如何碱小贝氏体的晶牧尺度・细化　２试验结果　显徽组织，增加碳化物的弥敢度以及增强性能的穗定性。　２．１贝氏体铁素体　贝氏体钢具有什么尺度和形貌的贝氏体铁索体（包括马　经典著作　・　认为，锕中上贝氏体是成柬平行捧列的条　氏体）以及什么尺度和分布状态的玻化街，将从奉质上决定贝　状铁素体和条『町的渗碳体所组成的非层状组织Ｉ经典的下贝　氏体锕的组织和性能。　氏体是片状铁素体和其内部沉淀碳化物组成的组织　遵照贝氏体相变原理并运用细晶强化、弥敢强化荨主要　图１为９７—５钢锻后正火回火组织，组织细小均匀，无法　强韧化机制及其叠加效应，通过徽台金复合变质处理，使奥氏　辨认贝氏体铁素体以及马氏体的条状或钟状外形。大量碳化　体晶牧尺度显著藏小，显徽组织明显细化，碳化物弥敢分布，　街弥散分布于基体中，这是隐晶或细针状组织。图２为９６—５　开发了多元徽舍金化少量Ｍｏ或微量Ｍｏ、隐晶或细针状贝氏　贝氏体钢锌态组织，其组织为贝氏体、马氏体、碳化物和残留　体的赢品质贝氏体锕或高级贝氏体钢。　奥氏体．组织细小．晶粒度为５．５级。图３为９６－１６钢锻后正　

ｌ　试验方法　火回火扫描电镜的组织形貌。在，１５００倍下贝氏体组织仍为细　研究用钢成分以Ｍｎ－Ｓｉ为主加元素、少量或微量Ｍｏ元　针状。图４为Ｉ一１０Ｂ钢透射电镜组织形貌　从图中可看出大　素和其它微量元素组成，４种成分台金分别以９６－１６、Ｉ一１０Ｂ、　体平行排列的贝氏体铁素体亚条组织，其中有形状不一的亚　９６。５以及９７—５表示．　块结构单元，其尺度为３０￣ＳＯｎｍ，碳化物分布于亚条和亚块　

李风照ｔ教授，奉谭题为山东省自然科学基金贲助项目。收藉日期　１９９８年３月２４日。　

边界。　图５ａ和ｂ为Ｉ一１０Ｂ钢热轧后空冷透射电镜组织形貌。　图５ａ中显示出来条状铁素体孪晶及其内部亚块结构，结构碳　

《金属热处理）１９９８年第８期　３　

维普资讯 http://www.cqvip.com 圈１　９７　５钢锻后正火回火金相组织　（８８０℃×１Ｏｍｉｎ，２００℃×３ｈ）　Ｆｉｇ．１　Ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｅｔａＵｏｇｒａｐｈ　ｏｆ　９７—５　ｓｔｅｅｌ　ａｆｔｅｒ　ｆｏｒｇｉｎｇ　ａｉｒ　ｃｏｏｌｉｎｇ，ｎｏｒｍｏｔｉｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒｉｔ￣　（８８０Ｚ￣×ｌＯｍｌｓ，２００＂Ｃ×３ｈ）　

图２　９６—５钢铸态金相组织　Ｆｉｇ．２　Ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈ　ｏｆ　９８—５　ｓｔｅｅｌ　ａｆｔｅｒ　ｃａｓｔｉｎｇ　

图　Ｆ　・３　３　９６　１６钢锻后正火回火组织形貌（ＳＥＭ）　

ＳＥＭ　ｍｏｒｐｈｏ￣ｇｙ　ｏｆ　９６—１６　ｓｔｅｅｌ　ａｆｔｅｚ　ｆｏｒ＃￣ａｉｒ　ｅｏｏｌｌｎｇ，ｎｏｒｍｏｌｉｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒｉｎ￣　化物产生的层状亚结构（｛９｝头所指）。图５ｂ中显示出有亚块，　位错网络，层错及其交叉排列而产生的各种形状的亚结构（箭　头所指）。　

４　

圈４　Ｉ—ＩＯＢ钢锻（热轧）后空降透射电镜组织形貌　Ｆｉｇ．４　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈ　ｏｆ　Ｉ—ｌＯＢ　ｓｔｅｅｌ　ａｆｔｅｒ　ｆｏｒ一　ａｉｒ　ｃｏｏｌｉｎｇ　

图５　Ｉ—ＩＯＢ钢贝氏体铁索体内亚结构（ａ）及位错和层错（ｂ）　Ｆｉｇ．５　Ｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ａ）ａｎｄ　ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｔａｃｋｉｎｇ　ｆａｕｌｔｓ（ｂ１　ｉｎ　ｂａｌｌｕｔｉｃ　ｆｅｒｒｉｔｅ　ｏｆ　Ｉ一１０Ｂ　ｓｔｅｅｌ　王．２磺化铂　图６为９６—５贝氏体钢的锻后正火回火金相组织。在６００　倍下金相组织无法辨认出贝氏体的针状外貌，大量碳化哟弥　散分布在基体上　这种臆晶或细针状贝氏体和大量弥散分布　的碳化物组织的贝氏体钢，在国内外有关文献［１　叫　中尚未　见报导，图７为Ｉ一１０Ｂ钢热轧后空拎透射电镜组织形貌，骥　化蜘分布于贝氏体铁索体条、亚条和亚块边界，其尺度为几十　十纳米。　

《金属热处理￣１９９８年第８期　

维普资讯 http://www.cqvip.com 微台金化的９６—１６钢锻后正火回火的透射电镜组织形貌　见图８ａ。其中有大颗粒ＴｉＣ和分布于贝氏体铁紊体亚条边界　的细小谈化物　图Ｂｂ为９７—５钢锻后正火回火透射电镜组织　形貌，碳化物分布于条闻、片条内部和亚晶粒边界。　３强韧化机制　研制钢获得高的硬度、强度　韧性和良好的耐磨性，不仅　在于蔗照贝氏体相变原理、成分的台理控制和优化的冷却速　度，同时，运用了钢的细晶强化和舜散强化等重要强化理论。　研制钢的强韧化是通过固溶强化、细晶强化、亚结构细化强化　和弥散强化等几个重要强化机锚叠加作用实现的。　３．１固蔼强化　Ｃ、Ｍｎ和ｓｉ可溶人铁素体形成固溶体．是主要的固溶强　化剂．增加硬度和强度　Ｍｎ、Ｂ和Ｍｏ是提高贝氏体钢谇遗性　的主要元紊，可使大截面贝氏体钢整个截面获得较均一的硬　度、强度和韧性。　３、２棚量强化　细晶强化对贝氏体钢有着极其重要的强化效果。细晶强　化的独特之处在于它既有效地提高强度（Ｈａｌｌ—Ｐｅｒｃｈ公式ｍ）　和硬度，叉能明显地优化塑性和韧性　］　细晶强化又可使韧　脆转变温度下降［Ｉ］。　

图６　９６—５钢锻后正火回火金相组织　Ｆ　６　Ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｅｔａｌ［ｏｇｒａｐｈ　ｏｆ　９６—５　ｓｔｅｅ！ａｆｔｅｒ　ｆ。ｒｇ　ｉｎｇ　ａｉｒ　ｃｏｏｌｉｎｇｔｎｏｒｍｏｌ￣ｎｇ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ　

圉７　Ｉ一１０Ｂ钢透射电镜组织形貌　Ｆｉｇ　７　ＴＥＭ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈ　ｏｆ　１．１０Ｂ　ｓｔｅｅｌ　

图８　９６—１６钢锻后正火回火（ａ）和９７—５钢锻后正火　回火（ｂ）透射电镜组织形貌　Ｆｌｇ．８　ＴＥＭ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｓ　０ｆ　９６—１６　ｓｔｅｅｌ　（ａ）ａｎｄ　９７—５　ｓｔｅｅｌ（ｂ）ｅ：Ｅｃｅｒ　ｆｏｌ￣ｇｌｎｇ　ａｉｒ　ｃｏｏｌ—　ＬⅡｇ，ｎｏｒｍＯＨｚｉｎｇ　ａｎｄ址ｍ畔　晶界是位镑运莉的障碍，细化晶粒可使屈服强度提高。晶　界可把塑性变形限定在一定范围内，使变形均匀化．因此．细　化晶粒可提高贝氏体钢的塑性｝晶界又是裂纹扩展的阻力．所　以细化晶粒还可以改善钢的韧性ｍ］　３．３尊散强证　控制钢中谈化物的数量和弥散分布，可进一步相当大地　细化钢的组织，强化钢的性能　］，即嚣散强化效应．同时叉可　挺商铜的耐磨性。大ｔ细小焉粒碳化物强散分布，缩短弥散质　点间距（Ｏｒｏｗａｎ公式【，ｊ）．既可提高强度，又增加耐磨性。弥散　分布的碳化钫囊粒分布在亚结构边界，细化亚结构组织，对强　化作出了一定贡献。　通过运用细晶强化和弥散强化等重要强化机制，达到提　高贝氏体钢的硬度、强度、韧性、塑性和耐磨性５个效应，使钢　具有商硬度、高强度、商韧性和优良的耐磨性，这是所研制的　隐晶或细针状贝氏体的贝氏体钢的主要技术特征　３．４量变曩化　贝氏体钢空岭过程首先形成贝氏体，随后产生比窖大的　马氏体，ｆ５ｊ硬的马氏体对其周围先形成的贝氏体产生塑变硬　化效应（Ｐｌａｓｔｉｃ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ　ｈａｒｄｅｎｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ）￣１，］。　由于上述强韧化效果叠加的结果，使研制钢比国内外已　有的贝氏体钢在臭氏体晶粒尺度、显擞组织细化和耐磨性等　方面具有明显的优越性。　（下转第ｌ４页）