钢的MB复相热处理技术进展

平职学院 2007 年度优秀论文评奖申报表
钢的（M+B）复相热处理技术研究
张君董笑鹏
（平顶山工业职业技术学院，河南平顶山 467001）
摘要 : 指出目前理论界初步认为（M+B）两相组织对同时提高钢强韧性方面的贡献，主要是适量的先析贝氏体分割了奥氏体晶粒，细化了有效晶粒，减小了随着转变形成的马氏体领域条片尺寸，缩短了单位裂纹长度，降低了脆性转变温度。

但这些理论均存在着局限性，值得进一步研究、探讨。

关键词：复相热处理低碳低合金钢中碳中合金刚高碳高合金钢贝氏体
马氏体
0 引言
随着科学技术的不断发展，社会和生产对金属材料提出了越来越高的要求。

还必须探索新工艺，使材料在强度不降低或降低不多的前提下，韧性得到较大提高。

复相热处理国内外对于这方面的研究虽然不多，但还是有一定的进展并取得了一定的效果。

所谓复相热处理，就是将处理成不同比例、形貌和分布的两相复合组织的一种热处理工艺途径。

随着材料科学的发展，近年来，人们开始对不同钢材如低碳低合金钢、中碳合金钢及高碳合金钢的马氏体、贝氏体的复合组织的研究，越来越感兴趣，并引起了重视，同时进行了或多或少的研究，取得一定的进展和成果，意识到，复合热处理有可能发展成为一种使钢的性能更臻于完善、材料潜力得到进一步发挥的热处理的新领域。

1 低碳低合金钢
日本住友金属工业中央研究所的技术工作者指出，连续冷却转变时，如果在马氏体转变前，先形成10—20%的贝氏体（下贝氏体或BII型贝氏体），其余的过冷奥氏体在随后转变为马氏体，从而获得马氏体+10—205B的双相组织。

由于先形成的贝氏体条束分裂了过冷奥氏体晶粒，细化了有效晶粒，减少了解理裂纹的平均自由行程或单位裂纹长度，所以提高了冲击韧性，降低了脆性转变温度。

采用T-1低碳合金高强度钢板制取试样，在氩气保护下，在1200 A化15分钟（冰盐水或油），控制不同冷却速度。

所得的组织平均领域尺寸和单位裂纹长（Lc)不同，其数据如下表：
表一：不同冷却速度单位与对应的不同组织的领域尺寸
表二：不同冷却速度所得的不同组织及单位裂纹长度Lc的数据
根据以上得出的实验结果，可以看出热处理对低温韧性的改善比较突出，但对强度、延塑性的改善不甚明显。

因此，这里必然有一个发挥强化作用最佳的强度范围。

对于这一问题，日本的大森、大谷、帮武等科学工作者，进行了另一种复相热处理工艺研究，即等温淬火复相热处理工艺。

所谓等温热处理工艺就是钢在A化加热后，淬火恒温下保持在B下温度范围或低于Ms温度15-20的热浴中，停留适当的时间，形成适量（15%）的先转变的B下，随后淬火使剩下的过冷奥氏体转变为马氏体（可以还残留一定量的热稳定奥氏体），最后得到
M+15%B的两相混合组织，能使高碳钢得到强化，而不降低其韧性。

国内的一些专家对低碳合金钢的马氏体、贝氏体的复相组织的强韧性配合也作了一些研究。

利用12MnNiCrCu低碳合金钢，采用低于临界淬火速度的冷却速度，使其过冷奥氏体在马氏体相变之前，即先形成10%-20%的板条状贝氏体，继续冷却时其余奥氏体转变为低碳（低合金）板条状马氏体，结果发现这种M+B下的复合组织比马氏体或B下的单相组织的强韧性都有很大的提高，并且脆性转变温度较低。

2 中碳中合金钢
关于这方面的研究目前虽然还较少，但也取得了一些成绩。

用5CrMnMo的中碳中合金钢，进行等温复相热处理工艺的研究也取得了一定的成果。

研究结果得出这样的结论：（1）适当比例的马氏体M,下贝氏体回火组织或B下具有更佳的强度、塑性和韧性配合。

以马氏体为基体含25-40%B下的复合组织的低温回火后的强度接近于高强度的回火马氏体，但塑性、韧性比后者优越得多，其中韧性的提高尤为明显，如与单相马氏体相比，下降约6%，而KIC上升约90%。

（2）当马氏体中存在25—40%B下时，这种复合组织的强度高于混合定则，主要是由于马氏体基体对B下有塑性约束作用，以B下量针状分割A晶粒，使得等效的A晶粒细化，同时马氏体束，板条和碳化物亦细化。

这种复合组织的韧性显著提高，则是由于解理单元细化，以及由于少量B下通过塑性变形而有效地缓和裂纹尖端的三向拉伸应力状态，因而使断裂机制发生明显改变。

（3）MB下复合组织经中温回火后，σs下降极少，而韧性明显上升，可获得更高的强韧化配合。

MB下复合组织的低温回火脆性不明显。

经中温回火后的25% B下与M的超高强度并兼有 B下的高韧性。

（4）随着回火温度升高，MB复合组织的性能与单相马氏体回火逐渐靠近，但在500℃回火后，前者仍优于后者。

（5）由于 B上呈块状，沿奥氏体晶界析出，对M无细化作用，而且它本身在三向拉伸应力集中作用下易解理，所以，当其存在于马氏体基体中时，对强度，塑性均有不利的作用。

但它可促进复合组织裂纹出现分散和使解理改变方向，因而B上M的复合组织韧性比单相马氏体的韧性有所提高。

3 高碳合金钢
目前，对于这方面的研究，虽然已作了一些工作，但是仍不十分广泛，因此，下面我们就主要介绍一下关于GG15钢、GrWMn钢、T10钢等高碳合金钢目前在国内外的发展状况和所取得的一些成果。

3.1 在高碳钢（如T10）中发现了另外的一种崭新的析条状下贝氏体组织。

（1）高碳钢的奥氏体化，在超过一定温度以后，并于Ms点约200C左右间等温处理后，可得到一种析条状下贝氏体。

（2）随着奥氏体化的升高，高碳钢的C曲线将发生一些变化（如T10钢）球光体转变部分明显右移，而贝氏体转变部分（除Ms点以上40--50℃区域外）无明显变化。

（3）高碳钢T10钢高温奥氏体化后，羽毛状贝氏体、针状贝氏体、板条状贝氏体三者的等温形成温度是依次降低的，而硬度值则依次是上升高的。

3.2 关于GG15钢
NaKaZaWa等在研究GG15钢淬火、回火时马氏体显微组织与断裂特征关系时认为，高于Acm
点A化温度淬火比一般淬火温度下的Ksc略有提高（由53.6kgf/mm3/2次方,提高到61kg/mm3/2)。

而R.JKar等则认为，低温淬火时未溶的残余碳化物将成为裂纹核心。

而高于Acm淬火时，马氏体共格切变时，显微裂纹的形成显著增加，因而淬火、回火态组织总出现低的KIC值，并认为二次奥氏体化等温淬火得到M与B混合组织,可以提高其强韧性。

在国内同样也用等温淬火复相热处理工艺对一些高碳钢的复相组织进行了一些研究。

对GG15钢，采用等温淬火复相热处理，研究结果表明，当B%为约15--17%时，混合组织的钢其强度、塑性和韧性达到最佳的配合，弯曲强度与抗拉强度均比普通淬火、回火处理的钢提高近一倍，冲击韧性提高近四倍，接触疲劳提高40kgf/mm2，使轴承钢的潜力得到了较好的发挥。

同样，他用6Cr4W2Mo2V钢作等温复相热处理，结果为弯曲强度、冲击韧性和耐磨性能均比回火马氏体组织有较大的提高。

固溶微细球化预处理后经890℃X1h等温淬火得到细小条状M/B基体上分布有一定数量细小的碳化物复合组织，其σs及KIC则均显著提高，宏观塑性也明显改善，σS为232kg/mm2.σ0.2为187.6kgf/mm2,KIC为kgf/mm3/2.这种等温淬火前的固溶微细球化预处理，具有数量较多及细化均匀分布的碳化物，在奥氏体加热时形成奥氏体核心较多，淬火后得到较小的奥氏体晶粒和M/B 条状组织中的条宽度及束径减小，且在M/B基体上分布着一定数量的细小均匀的碳化物，如此种种因素的总和，从而使轴承钢具有较高的强度及韧性。

3.3 对CrWMn钢等高碳合金钢进行复相组织的研究
采用固溶微细球化预处理作为原始组织，以后经淬火、回火及不同等温淬火，获得不同比例的M+B下的复合组织。

结果为经过这种微细球化处理后的M/B混合组织，其晶间断裂比例明显减少，韧窝比例显著增加。

当贝氏体B为50%B时，晶间断裂几乎消失。

这是由于具有适当比例的M/B混合组织等温淬火时先转变的部分B分割A晶粒，减小了随后转变成的M尺寸。

断口断裂单元也较全M组织或B组织显著减小。

4 结束语
（1）马氏体、贝氏体两相组织，在强韧性提高方面的贡献，主要是适量的先析贝氏体分割了奥氏体晶粒，细化了有效晶粒，并减小了随着转变形成的马氏体的领域条片尺寸的缘故。

（2）M-B双相钢的强韧性理论只用细化有效晶粒模型是不够的，它不能解释对低碳低合金钢有显著的韧化效果，而强化作用却极不显著。

而对较高的高碳的低合金却获得了强度、韧性双提高的结果。

（3）提高低温韧性的实质是M-B双相组织，在等强度下与回火相比时，当σs〈1000N/mm2时，普通钢的淬火、回火的脆性转变温度（VTrS)低于双相组织，而当σs大于1000N/mm2平方时，双相组织才得更低的转变温度。

大森等简单地用回火马氏体有500℃脆化予以解释；邦武等则认为Lc与脆性转变温度有线性关系，loLc1/2越大，VTrS越低。

那么为什么双相组织中的先析出B的体积比又有一个最佳值（15%--20%、25%--40%）的问题，此时脆性转变温度达最低值.因此细化有效晶粒的模型，不能作出较为圆满的解释。

（4）影响断裂韧性的机制，M-B两相混合组织，对断裂韧性影响的研究还不多，但得到一致的结论，即M与B下的混合组织对主裂纹前端裂纹发展的作用是不同的，晶粒愈细，断裂韧性越高，但Zackay与Knoff却得出与此相反的结论，即A晶粒粗化，能使断裂韧性值KIC提高，这就需要对M-B双相组织的断裂机理进行更全面更深层次的挖掘探讨,其中大有文章可作。

Development of steel in(M+B) Duplex Heat Treatment
Zhangjun Dong Xiao peng
(1.PingdingshanIndustrial College of Technology,Henan Pingdingshan 467001,China)
Abstract: The paper introduces investigative actuality of some science author
at domestic and overseas in that duplex heat treatment have effected the strength
and toughness in low carbon,medium carbon and high carbon steel.The theory at
present think that the precipitation can enhence the strength and toughness by the
means of cutting austenite grain,refining the effective grain,constricting the length of crack,reducing brittleness transformation temperature and martensite domain
size,put the shortage of the theory.Based on these,put the forward the developmental direction at last.
Key words: duplex heat treatment; low carbon steel ; medium carbon steel;
High carbon steel ; bainite;martensite.。