中碳钢回火马氏体热变形过程中的铁素体动态再结晶

中碳钢回火马氏体热变形过程中的铁素体动态再结晶

摘要：利用热压缩实验，研究了中碳钢回火马氏体在700℃/0.01／s条件下变形时的组织演变规律，分析了渗碳体粒子状态的影响.实验结果表明:中碳钢回火马氏体热变形过程中，发生了渗碳体粒子粗化和铁素体动态再结晶，形成由微米级的等轴铁素体晶粒与均匀分布的渗碳体粒子组成的超细化(a+B)复相组织.与静态回火相比，形变促进Fe原子和c原子的扩散，使渗碳体粒子粗化动力学提高2-3个数量级.渗碳体粒子的粗化主要来自铁素体晶界上粒子尺寸的增加，铁素体晶粒内部的细小粒子尺寸无明显变化但数量减少，前者有助于以多粒子协同方式实现粒子激发形核，后者减小了晶界迁移的阻力，两者均有利于铁素体动态再结晶的发生.随着初始组织中渗碳体粒子尺寸的减小，发生动态再结晶所需应变量增大，但所得复相组织更加均匀、细化

关键词中碳钢，回火马氏体，铁素体，渗碳体粒子，动态再结晶

1实验方法

实验材料为商用45钢，化学成分为Fe-0.48C-0.35Si-0.68Mn(质量分数，%).初始材料为直径12 mm的圆棒，经920℃保温10 min后淬火得到马氏体，然后在600℃回火1 h, 700℃回火1h或8h获得3种回火马氏体组织(分别命名为样品A, B和C).将处理后的圆棒机加工成直径6 mm、长15 mm的单轴压缩试样.热变形实验在Gleeble 1500热模拟试验机上进行，变形温度为700℃，应变速率e为0.01 s-1，最大应变量:为1.60.变形后水淬，以保留变形组织.将所得试样沿平行压缩方向切开，经机械打磨和抛光后，用2%-3%(体积分数)的硝酸酒精侵蚀，利用Suppra 55场发射扫描电镜(SEM)进行组织观察.电解抛光后采用电子背散射技术(EBSD)分析铁素体晶粒取向分布，获得晶界取向差别的信息.电解抛光液为20%高氯酸+10%甘油+70%无水乙醇，电解电压为15 V.采用双喷减薄制备透射电镜(TEM)薄膜试样，双喷液为5%高氯酸+95%无水乙醇，-30一一20℃(液氮冷却)，电压(75士5) V, TEM观察在H-800型透射电镜上进行.

2实验结果

回火马氏体组织由铁素体基体和渗碳体粒子组成。如图1所示.由图可见，随着回火温度的提高和/或回火时间的延长，渗碳体粒子的平均尺寸增大，而且位于铁素体晶界上的渗碳体粒子尺寸明显增大，位于铁素体晶粒内部的渗碳体粒子数量明显减少.但铁素体基体的形貌变化不明显，基本保持板条状，这主要是由于在等温回火过程中渗碳体粒子对铁素体晶界的钉扎作用抑制了铁素体静态再结晶，因此铁素体仅发生静态回复，导致铁素体基体的形态变化缓慢.

与相应的原始组织相比，3种回火马氏体组织在700℃/0.01s-条件下变形至应变量为1.60时的变形组织均发生明显改变.如图2所示，3种条件下均获得由等轴的细晶铁素体基体和分散的渗碳体粒子组成的超细晶(a+B)复相组织.表1总结了3种条件下最终变形组织中铁素体基体平均晶粒尺寸和渗碳体粒子平均尺寸.可见，随着初始组织中渗碳体粒子平均尺寸的减小，最终变形组织中铁素体基体的平均晶粒尺寸和渗碳体粒子平均尺寸均相应减小.

组织分析表明，3种回火马氏体组织在700℃/0.01 s-1条件下变形时，均发生了渗碳体粒子粗化和铁素体动态再结晶.渗碳体粒子平均尺寸随着应变量的增加而增大(图3a)，特别是位于铁素体晶界上的渗碳体粒子(图3b)，而位于铁素体晶粒内部的渗碳体粒子数量减少.在渗碳体粒子粗化的同时，铁素体基体发生动态再结晶，导致其形貌明显改变，下面以600℃回火1h获得的回火马氏体组织在700 0C/0.01 s-‘条件下变形为例，介绍中碳钢回火马氏体热变形过程中铁素体基体的组织演变规律.

如图4a所示，变形前的铁素体基体中含有大量的大角度晶界(取向差大于15°和小角度晶界(取向差在2-15°，即亚晶界)，并且大角度晶界的取向差基本大于45°,而大部分小角度晶界的取向差小于5°(图4c).在变形初期(e=0.10)，铁素体基体的形态变化不明显(图4b)，但小角度晶界分数有所增加(图4c)，显然，此时铁素体基体主要发生了动态回复过程，导致亚晶界增多当应变量增

加到0.36时，与原始组织(图la)相比，变形组织发生了明显的改变(图5a)，在位于铁素体晶界上的渗碳体粒子附近出现了一定数量的细小等轴铁素体晶粒，EBSD分析表明这些等轴晶粒大多被大角度晶界包围，并且其内部小角度晶界很少(图5b).显然，这些等轴铁素体晶粒

是铁素体动态再结晶的结果，即当e=0.36时，铁素体已经发生动态再结晶.但是此时动态回复仍然是主要过程，导致铁素体基体中小角度晶界总分数由原始组织的41.1%增加到46.7%，而且取向差在5°到15°之间的小角度晶界明显增加(图5c).另外，取向差大于450的大角度晶界在大角度晶界中所占分数由原始组织的88.5%降低到77.0%，表明铁素体动态再结晶导致了一定量的取向差在15°到45°之间的大角度晶界的形成.

当应变量增大到1.60时，变形组织中等轴铁素体晶粒的数量明显增加，并且尺寸略有增大(图2a和6a).在大角度晶界分数增加的同时，取向差大于450的大角度晶界在大角度晶界中所占分数降低到46.3%(图6b).显然，在应变量由0.36增加到1.60的过程中，铁素体动态再结晶的发生，导致较多的取向差在150到450之间的大角度晶界的形成.

图7总结了3种回火马氏体在700℃/0.01 s-条件下变形时铁素体动态再结晶演变规律.在3种条件下动态再结晶晶粒体积分数均随着应变量的增加而提高(图7a) .初始组织中渗碳体粒子尺寸不同，动态再结晶发展趋势有所差异:对于原始组织的渗碳体粒子平均尺寸最大的样品C(700℃回火8 h)，在小应变量下就可以发生动态再结晶，当应变量增加到0.36时再结晶分数已超过40%.应变量继续增加时，虽然再结晶晶粒体积分数继续提高，但再结晶晶粒数目基本保持不变(图7b)，显然在此条件下动态再结晶是形核一长大过程.对于原始组织的渗碳体粒子平均尺寸最小的样品A(600℃回火1 h)，发生动态再结晶所需应变量增大，但是在应变量超过0.36后，再结晶晶粒体积分数和再结晶晶粒数目均随着应变量的增大而持续增加，即在此条件下动态再结晶是以形核为主的过程.而对于样品B(700℃回火8 h)，铁素体动态再结晶的形核率及长大程度介于两者之间.