钢的组织控制与设计(一)

以H13热作模具钢和高强度钢为例，分别重点讨论钢的组织控刺和设计。对H13钢，应消除原生碳化物和偏析，改善二次碳化物分布，使成分均匀化，缩小钢块纵、横向性能差，可将现国产H13钢的使用寿命显著提高。对兼具高强度（Rm〉2000MPa）和韧性钢的组织，拟设计为：低温回火马氏体组织，含高密度位错的细条马氏体，包有残余奥氏体薄膜，并分布弥散的碳化物（避免渗碳体的形成）；钢含低的碳量，并含有一定量的Si，Al和Mn，Ni，Mo等舍金元素及Nb等碳化物形成元素；适当应用Q—P处理、双相区退火、贝氏体或马氏体等温处理等。文章分两期发表。     

用于超高强度钢的淬火-碳分配-回火（沉淀）（Q-P-T）工艺

为进一步提高钢的强度,改造淬火-碳分配（Q—P）工艺,在超高强度钢的成分设计中加入碳化物形成元素Nb或（和）Mo,使在马氏体基体上析出碳化物,提出淬火-碳分配-回火（沉淀）（Q—P—T）工艺。将按设计超高强度钢大致成分的钢进行Q—P—T处理后,得钢的抗拉强度高达〉2000MPa,总断后伸长率〉10％。和迄今发展的各类含碳小于0．5％钢的综合力学性能相比,Q—P—T钢可能成为优异的超高强度钢。     

国内外H13钢组织和性能对比分析

对比分析了国内外两种典型热作模具钢的化学成分、显微组织、冲击韧性和回火稳定性。结果表明:与进口H13钢相比,国产H13钢的硬度、室温冲击性能和热稳定性均较差,主要原因在于碳化物的形式有差异。国产H13钢中碳化物尺寸大、分布稀疏,存在偏析,而进口H13钢中碳化物细小弥散。进口H13钢中马氏体板条结构较稳定、小尺寸碳化物的大量存在且弥散分布是其在高温下表现出优异回火抗力的主要原因。     

稀土钇对H13钢组织与性能的影响

研究了不同稀土Y含量对H13模具钢组织和性能的影响。实验室采用电渣重熔冶炼获得了稀土Y的质量分数分别为0.0008%、0.0060%和0.0120%的H13钢电渣锭。利用OM、SEM、TEM和热力学计算等方法研究稀土Y对组织的影响;利用冲击试验机和显微硬度计探究了稀土Y对性能的影响。结果表明,稀土Y使H13钢中的隐晶马氏体的形貌变成狗骨状,随着稀土Y含量的增加,隐晶马氏体呈局部细小和弥散分布趋势;H13钢中凝固终点处残留液相中元素的浓度达到高碳高合金钢的浓度,导致液析碳化物生成。稀土Y的质量分数为0.0120%时,钢中C元素的偏析度由1.292降低至0.529,合金元素Cr、Mo、V的偏析度也均有降低;钢中5μm以上的碳化物占比最低,碳化物的平均尺寸为3.13μm;钢热处理后的横向冲击吸收能量为19.5 J,退火和回火后的维氏硬度分别为244.4和525.5 HV0.5。     

H13钢退火态中的碳化物分析

H13热作模具钢在850℃保温2 h后,以25℃/h速度缓慢冷却至室温。用SEM观察合金组织经球化退火处理后的形态变化,用EDS、XRD、TEM和萃取分离方法对H13钢退火态中碳化物进行了定性和定量分析。结果表明,经850℃球化退火处理后,合金中原有的马氏体组织和珠光体组织基本转化成球状碳化物,主要碳化物类型有4种:MC、M6C、M7C3、M23C6,而且不同类型的碳化物所含的主要合金元素不同,MC中的主要合金元素为V,M7C3和M23C6中的主要合金元素为Cr,M6C中的主要合金元素为Mo和Cr。     

扩散退火对H13钢显微组织和成分偏析的影响

采用OM、SEM等微观组织分析手段研究了H13钢铸态组织和扩散退火过程中显微组织和成分偏析的演变规律。结果表明,H13钢电渣锭的铸态组织为粗大马氏体+贝氏体+液析碳化物,枝晶间和晶界处分布着高熔点液析碳化物和大尺寸二次碳化物,存在严重的枝晶偏析和成分偏析。随着扩散退火温度的升高,组织中的碳化物逐渐回溶到基体中,枝晶内的碳化物溶解速度和元素扩散速度明显快于枝晶间和晶界处,会优先达到成分均匀性要求。在1240℃进行扩散退火时,枝晶间的大尺寸二次碳化物几乎全部回溶到基体中,晶界处的高熔点液析碳化物数量明显减少,仅残存少量未完全溶解的小颗粒液析碳化物。从节能和提高成材率方面考虑,建议H13钢较佳的扩散退火工艺为1240℃×10 h。     

深冷处理对H13钢组织和热疲劳性能的影响

采用OM、SEM、TEM、XRD、显微硬度计以及热疲劳试验机等方法研究了深冷处理对H13型热作模具钢的组织和性能的影响,并与常规淬回火工艺进行了对比分析。结果表明,在常规的淬回火工艺的基础上增加深冷处理有利于细化试验钢的晶粒组织并促进残留奥氏体向马氏体转变。此外,在深冷处理的条件下马氏体晶格由于在极低温易发生收缩而促使碳原子在位错等缺陷处偏聚,回火过程中以碳化物的形式析出。这些析出的大量细小弥散分布的碳化物可钉扎位错,对热循环引起的应力集中起到一定的缓解作用,减缓降低热疲劳裂纹扩展速率。且深冷处理后细小弥散分布的碳化物析出降低了H13钢热疲劳过程中碳化物长大速率,减少了热疲劳裂纹的数量,从而提高热疲劳性能。     

H13热作模具钢的工艺设计与组织性能研究

对H13热作模具钢进行了锻后退火、缓冷退火、等温退火和固溶预热处理,并对比分析了不同预热处理对淬回火后H13模具钢显微组织、硬度和冲击性能的影响。结果表明,采用固溶+退火相结合的方法可以细化H13模具钢的显微组织,使得碳化物分布更加均匀且尺寸更加细小;预热处理+淬回火态H13模具钢的金相组织为回火马氏体+碳化物;固溶+缓冷退火态H13模具钢的布氏硬度和洛氏硬度最高,而等温退火态H13模具钢的布氏硬度最低;经过固溶+缓冷退火+淬回火工艺处理的H13模具钢具有最高的横向和纵向0℃冲击功,可作为最佳热处理工艺。     

高温均匀化对H13钢强韧性的影响

H13（4Cr5MoSiV1）钢是一种应用广泛的热模具网，富含Cr、Mo、V等碳化物形成元素，易形成大量碳化物，一次碳化物和偏析，并因此降低H13钢冲击韧性，采用扩散退火、超细化处理和软化处理手段，能消除一次碳化物，改善偏析，使二次碳化物呈球状均匀分布在铁素体基体上，从而显著提高钢的横向冲击韧性。试验结果表明，H13钢经高温均匀化，退火横向冲击功超过90J，淬回火态横向冲击功超过20J，其冲击功均较未处理的试样1倍以上，达到或接近Uddeholm8407s钢的水平（其冲击功分别为78J和23J）。     

热处理工艺对CLAM钢电子束焊缝显微组织与冲击韧性的影响

对聚变堆用中国低活化马氏体钢（CLAM钢）进行了真空电子束焊接试验,并对接头进行了回火和调质处理．利用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）及透射电镜（TEM）对焊缝热处理前后的显微组织进行了观察,并对焊缝进行了室温冲击试验．结果表明,焊态下,焊缝由粗大板条马氏体和δ铁素体构成,其冲击韧性较差;回火处理后,马氏体组织转变为回火马氏体组织,δ铁素体保存下来,且其晶界聚集了大量M23C6型碳化物．碳化物地聚集使得δ铁素体与原奥氏体晶界的结合减弱,在受到外部载荷作用时,裂纹易于萌生和扩展,故回火后焊缝冲击韧性未得到改善;调质处理消除了δ铁素体,焊缝组织转变为和母材相同的回火马氏体组织,焊缝冲击韧性显著提高．     

热处理工艺对H13钢挤杆模寿命的影响

研究了不同热处理工艺下H13热作模具钢的显微组织和力学性能及其对钛合金叶片用H13钢挤杆模寿命的影响。结果表明,H13钢在经过1040 ℃×4 h淬火+585 ℃×6 h两次回火后组织为索氏体+少量回火马氏体+细小碳化物,其在强度、塑性、韧性和硬度上表现出更优异的性能,可满足钛合金叶片挤杆模的设计要求,并明显的提高模具的使用寿命。     

超高强度钢中的(M-A)组织和贝氏体

等温淬火的含Si超高强度钢往往存在(M-A)组织和转变不完全的贝氏体组织。在贝氏体区等温组织中的残余奥氏体多存在于前两种组织中。碳化物的类型与残余奥氏体的分布、形态有关。在180,300,320和420℃下等温形成的贝氏体中均存在有ε碳化物。马氏体α或贝氏体,奥氏体A和ε碳化物间的取向关系为碳化物可从α/A界面A侧析出。     

THE M-A STRUCTURE AND BAINITE IN ULTRA HIGH STRENGTH LOW ALLOY STEELS

等温淬火的含Si超高强度钢往往存在(M-A)组织和转变不完全的贝氏体组织。在贝氏体区等温组织中的残余奥氏体多存在于前两种组织中。碳化物的类型与残余奥氏体的分布、形态有关。在180,300,320和420℃下等温形成的贝氏体中均存在有ε碳化物。马氏体α或贝氏体,奥氏体A和ε碳化物间的取向关系为碳化物可从α/A界面A侧析出。     

消除H13钢锻后组织中链状碳化物的热处理工艺研究

分析了H13钢退火组织中链状碳化物的分布特点,对H13钢进行不同工艺的固溶处理+球化等温退火,研究了固溶处理对H13钢链状碳化物的溶解情况及退火组织均匀性的影响。研究表明,固溶处理可明显改善H13钢退火组织中的碳化物偏析,消除链状碳化物,提高碳化物的球化率及分布均匀性。在一定温度范围内,随固溶温度升高,退火组织越均匀。经1050℃固溶处理后,H13钢退火组织达到NADCA#207-2003标准中的AS6级,球化效果良好,获得了碳化物弥散均匀的粒状珠光体组织。     

含稀土元素和Al贝氏体钢的相变和组织性能

研究了微量稀土（ＲＥ）和Ａｌ对贝氏本钢在７００～５６０℃和３８０～３２０℃区域相变动力学及其组织性能的影响。研制的贝氏体钢锻后正火回火获得以贝氏体／马氏体为主、含碳化物和少量列岛奥氏体的组织、在光学显微镜下难以区分贝氏体（包括马淬透性。加入ＲＥ使贝氏体钢组织细化,冲击韧度提高;加入ＲＥ元素并不加速珠光体墨迹,而是少许推迟珠光体转变,有利于提高钢的淬透性。加入ＲＥ使贝氏体钢组织细化,冲击韧度提高;加     

热处理对H13热作模具钢的显微结构和性能的影响

研究预备热处理工艺、回火温度及深冷处理对H13热作模具钢的显微结构和力学性能的影响.结果表明,对成分偏析且锻造不足的H13钢,在常规的热处理条件下,适当提高回火温度(如630℃)可部分消除H13钢的带状组织；对该种钢材热处理前进行扩散退火+球化退火预先热处理,能更有效改善其金相组织,较大幅度提高材料的冲击韧度；深冷处理后,残余奥氏体转变为马氏体,同时碳化物分布更加细小、均匀,可进一步提高H13钢的力学性能.     

冶金部钢铁物理测试情报网第七届金相专业会议文集——Cr12MoV钢中基体碳含量对组织的影响

前言 Cr12MoV钢含有高达1.5％的C和Cr,Mo,V等形成碳化物的合金元素。所以常温下钢的组织是马氏体基体上分布着许多碳化物,还有不少残余奥氏体。碳化物中包括结晶时形成的一次碳化物、从奥氏体中析出的二次碳化物和从马氏体中分解析出的三次渗碳体。而基体马氏体是位错板条型和孪晶针片型共存。过剩碳化物的类型,数量,大小和分布状态;从马氏体中分解出的三次渗碳体的析出程度;马氏体类型及其大小,似及残余奥氏体的数量都直接影响钢的各项性能。众所周知,Cr12MoV钢有着两种不同的热处理工艺路线。低温淬火配以低温回火,可以使钢获得高的硬度、耐磨性和适度的红硬性。而高温淬火配以多次高温回火,可以使钢获     

Ti含量对H13热作模具钢组织及性能的影响

利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和洛氏硬度计研究了Ti含量对H13热作模具钢的力学性能和回火稳定性的影响,并分析和讨论了试验钢淬回火后析出碳化物的类型。结果表明:Ti元素(0.127%)的加入提升了H13钢的硬度、室温抗拉强度和塑性;合金元素Ti具有细化回火马氏体板条尺寸的效果;Ti含量为0.127%时,试验钢碳化物主要为富Cr的M23C6、M7C3、V2C和多种硬质相;微量元素Ti(0.127%)的添加提高了H13钢640℃以下的回火稳定性,且在高温(700℃)回火后,Ti元素提高了H13钢的高温回火硬度。     

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 文章研究了高强度超低碳贝氏体钢的精细结构。结果表明，高强度超低碳贝氏体钢理想的显微组织是无碳化物贝氏体、板条马氏体和下贝氏体，组织强化（包括细晶强化）是高强度超低碳贝氏体钢主要的强化方式，低水平的钒含量对析出强化没有贡献。     

热处理对超高强度20Mn2Cr汽车钢组织和性能的影响

研究了热处理工艺参数对20Mn2Cr钢显微组织和性能的影响规律,并采用扫描电镜、透射电镜、电子背散射衍射技术等研究了不同奥氏体化温度和回火温度下实验钢中的马氏体组织特征和碳化物析出形貌.结果表明,实验钢经900℃奥氏体化处理时可以保证较小的原奥氏体晶粒尺寸及细小的马氏体板条束宽度;550℃再结晶退火可以进一步细化原奥氏体晶粒尺寸及马氏体板条束宽度;淬火后的回火处理有利于Cr碳化物粒子的析出.通过调整热处理工艺,20Mn2Cr钢可以获得1000～1700 MPa级的系列超高强度,同时可以实现超高强度与高塑性的良好匹配.