刘正义，林鼎文――再论55SiMnMo钢贝氏体形态（华南理工大学）.doc

再论 55SiMnMo 钢贝氏体形态 刘正义（华南理工大学） 林鼎文（华 侨 大 学，22690800） 摘要：本文讨论 55SiMnMo 钎钢连续空冷（正火）和等温条件下 所转变的贝氏体，有本质上的不同。前者是由铁素和富碳奥氏体组成， 无碳化物；后者是由铁素体和碳化物组成，有碳化物。 一、引言 在上世纪 50 年代柯俊经典的总结了贝氏体的三种形态：（1）针 状无碳化物上贝氏体，由单相铁素体组成，这种贝氏体简称为 B1 型 贝氏体。针状无碳化物上贝氏体（B1）曾被苏联学者误称为魏氏组织， 柯俊给予纠正，证明它是无碳化物上贝氏体，但在国内至今仍有很多 人只知道铁素体魏氏组织却不知道那就是针状无碳化物上贝氏体。 （2）羽毛状有碳化物上贝氏体，由铁素体和碳化物两个相组成，不 连续的碳化物分布在铁素体两侧，简称为 B2 型贝氏体，它类似粗片 状珠光体，但它与粗片状珠光体有本质上的不同，珠光体中的铁素体 两侧的碳化物是连续的片状，铁素体的含碳量是平衡浓度(≤0.02%C)； 而 B2 型贝氏体铁素体两侧的碳化物是不连续的链状，铁素体的碳浓 度是过饱和的（≥0.02%C），B2 的宏观硬度远高于粗片状珠光体。 （3） 针状有碳化物下贝氏体，在针状铁素体上有 Fe2C 呈一定角度分布， 简称 B3 型贝氏体，它的硬度很高，仅次于马氏体。柯俊总结的三种贝 氏体形态特征，以及后来邦武立郎分别用Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３符号代表之， 都为国际认可。 55SiMnMo 钢正火（连续空冷）的贝氏体属无碳化物上贝氏体， 1 它由铁素体和富碳奥氏体组成，呈条状或粒状，其形貌是条状铁素体 和条状奥氏体平行相间组成，或者粒状的铁素体和粒状奥氏体相邻组 成。这是另一种特殊的无碳化物上贝氏体，不同于经典的三种贝氏体 形态，刘正义、林鼎文、黎炳雄在 2011 年长沙钎钢钎具会上建议命 名为 B4 型贝氏体。 二、相变动力学曲线 钢的等温相转变动力学曲线，简称 C 曲线（或叫 S 曲线），连续 相转变动力学曲线也简称 C 曲线，或称叫 CCT 曲线。55SiMnMo 钢相 变动力学 C 曲线如图 1（a）（b） (b)等温条件下 C 曲线 (a)连续空冷条件下 C 曲线 图1 55SiMnMo 钢相变动力学曲线 C 曲线和 CCT 曲线都反映了过冷奥氏体的四种相转变，即先共析 转变，上贝氏体转变，下贝氏体转变和马氏体转变的温度和时间范围 （过程）。两种转变曲线上的上贝氏体区都比较宽，表明过冷奥氏体 在等温和连续冷却条件下都比较容易获得上贝氏体组织。然而等温和 2 连续空冷（正火）所转变的上贝氏体是两种不同类型的上贝氏体。在 测定 C 曲线时没有提供相应的金相照片，只知道在某温度，某时间有 多少贝氏体转变，但不知道在某一时间（指长时间）所转变的贝氏体 是 B2 还是 B4 型，连续冷却条件下的贝氏体是 B4 型，已有大量的研究 工作和论文讨论 B4 型贝氏体。 长期以来，关于 55SiMnMo 钢金属学问题研究，有很多文章、技 术总结、报告都谈到等温和正火（连续空冷）贝氏体，但都没有注意 两种贝氏体的形貌和形态是有本质上的差异。 三、等温和正火（连续空冷）的金相组织 （1）55SiMnMo 钢等温转变的上贝氏体 等温转变的上贝氏体如图 2 （a）、 （b） ， 4 2 2 2 2 (a) 500℃（C 曲线鼻点）等温 5 分钟，箭头 2 指 型 B2 型贝氏体，其他是 B4 型贝氏体，500X 3%Nital. (b)560℃等温 15 分钟，箭头 2 指 B2 贝氏体，箭头 4 指 B4 型贝氏体。 其他是马氏体，3%Nital. 500X 图 2 等温上贝氏体形态 (a)是在 C 曲线鼻点温度等温的金相组织，在此温度，过冷奥氏 体最不稳定，孕育期很短（约 20 秒）。所以等温时间仅 5 分钟，就可 得到较多的上贝氏体。其中 B2 型贝氏体如箭头 2 所指，大部分是 B4 型贝氏体，因等温的时间较短，B4 型贝氏体还来不及向 B2 型贝氏体 3 转变。 (b)是在鼻点以上温度等温，过冷奥氏体在此温度比较稳定，孕 育期约 80 秒，当等温 15 分钟，也还只有一部分转变成贝氏体，在已 转变的贝氏体中，箭头 2 指有碳化物的上贝氏体（B2 型），箭头 4 指 无碳化物上贝氏体（B4 型）。在此温度等温 15 分钟，只有约 40%的过 冷奥氏体转变成贝氏体，如果要获得更多的贝氏体，等温时间要更长。 B2 型贝氏体所占的比例也更多。照片（b）所显示的 B2 型贝氏体比 （a）多，原因就是（b）照片的样品等温时间长，B4 型贝氏体有较充 分时间向 B2 型贝氏体转变。 （2）连续空冷（正火）的上贝氏体 图 3 是连续空冷（正火态）的上贝氏体形貌，这是大家所熟悉的 无碳化物上贝氏体（B4 型），它是由铁素体和富碳奥氏体组成，奥氏 体量占 25-35%，条状和粒状混合形貌。值得注意的是，图 3 所示的 贝氏体形貌，经 400℃回火将变成图 4（b）所示的“回火贝氏体”（B2 型）形貌，奥氏体量只有 3-5%。 图 3 900℃×30 分，40-60℃/分 速度空冷，宏观硬度 HRC26, 4%Nital，500X 4 四、“回火贝氏体”就是 B2 型有碳化物上贝氏体 早在 1975 年刘正义、林鼎文提出 55SiMnMo 钢“回火贝氏体”的 概念，后来的研究证实“回火贝氏体”就是 B2 型有碳化物羽毛状上 贝氏体，如图 4（a） （b）(c)。 (a)引自柯俊的论文，有碳化物上贝氏体 （B2 型），不连续的碳化物沉淀在铁素 体两侧， 0.5%C+2%Mn 钢，475℃等温 30 分钟，3%Nital。 (b)图 3 所示的组织 B4 经 400℃30 分钟， “回火贝氏体”（B2）, 3%Nital，500X。 图 4“回火贝氏体”的本质—B2 型有碳化物上贝氏体 (c)将（b）照片的样品制成薄晶体，TEM 衍衬象。铁素体两侧的碳化物形貌（箭 头所指）典型的 B2 型贝氏体形貌。 55SiMnMo 钢有碳化物的 B2 型上贝氏体既可在长时间等温条件下 形成，又可在正火态 B4 型无碳化物上贝氏体经 400℃回火条件下转变 而成，在经典的贝氏体相变机理里还没有讨论这样的问题，它是一个 新的金属学问题。正火态的 B4 型上贝氏体是由铁素体+富碳奥氏体组 成（图 3），这种贝氏体在常温及常温以下十分稳定，即使在-198℃ 温度下，富碳奥氏体也不转变；但是将它重新加热“回火”处理，情 5 况完全不同，富碳奥氏体很不稳定，随着回火温度的增加，铁素体和 奥氏体的相界面向奥氏体推移，奥氏体的体积越来越小，碳浓度越来 越富，直至“回火”温度到达约 400℃时，富碳奥氏体析出碳化物， 图 4（c）就是强有力的证明上述回火过程的结果，图 4（b）比之图 3，形貌上有显著的变化，但因为光学显微镜分辨率低而看不出本质， 透射电子显微镜（TEM）能看清真面目。如上所述，正火态的 B4 型贝 氏体（铁素体+25-35%的奥氏体）经 400℃回火处理转变成 B2 型贝氏 体（铁素体+不连续的链式碳化物）。 等温 B4 型贝氏体怎么转变成 B2 型贝氏体？在等温过程中，在时 间上只要一过孕育期，过冷奥氏体立即向 B4 型贝氏体转变，随着时 间的增加，转变量也增加，达到完全转变需要相当长时间，而早期转 变的贝氏体（B4 型）会发生“回火”转变。必须强调的是，只有在 400 ℃以上等温才会出现 B4 向 B2 型贝氏体转变，在 400℃以下等温虽不 会出现 B2 型贝氏体，但 B4 型贝氏体，经长时间的等温，早期形成的 B4 型贝氏体奥氏体量将减少，奥氏体碳浓度将增加（但不会出现碳化 物）。 五、B2 与 B4 型贝氏体的韧性比较 B2 型贝氏体由于碳化物的强化作用，硬度在 HRC27-29；而 B4 型 贝氏体的硬度只有 HRC25-26，这就是正火态的钎杆经 400℃回火后， 硬度增加 3-4HRC 的原因。但韧性却是 B4 型贝氏体高过 B2 型贝氏体， 原因很清楚，B4 型贝氏体的奥氏体量占 25-35%，而 B2 型贝氏体的奥 氏体量趋于零。奥氏体能有效地阻止裂纹扩展，减小裂纹扩展速率 （da/dN），图 5（a）是刘正义等在 1980 年对“回火贝氏体”和正火 6 态贝氏体进行 da/dN 比较，在同等强度因子增量条件下，“回火贝氏 体”的 da/dN 比正火态贝氏体的 da/dN 高三倍。图 5（b）是奥氏体 阻止裂纹扩展的证据。裂纹在扩展过程中，裂纹尖端遇到奥氏体相， 裂纹就要拐弯，绕道走。这就是过去讲的在局部如钎肩处有“回火贝 氏体”的小钎杆，如果有几何缺陷时（钎肩内孔有尖角喇叭口），回 火贝氏体韧性低，对缺口敏感是致使凿岩寿命很短的主要原因。 裂纹扩展方向 Ⅰ-Ⅰ 正火 Ⅳ-Ⅳ 400℃回火 (b)疲劳裂纹扩展方向如箭头所指，凡是奥氏 体条不见裂纹。 (a)正火与 400℃回火 da/dN 比较， 在相同的条件下，正火裂纹扩 展速度慢，回火快。 图 5 B2 与 B4 型贝氏体韧性比较 六、结论 55SiMnMo 钢加热（超过 AC3 点）奥氏体化后，正火（连续空冷） 获得的金相组织是 B4 型无碳化物上贝氏体（铁素体+富碳奥氏体）； 在等温条件下：等温的温度达到或超过 400℃，长时间等温的金相组 织是 B2、B4 混合贝氏体，B2 的比例多过 B4（以 B2 为主），短时间的等 温则是以 B4 为主；等温的温度低过 400℃，即使长时间等温，其金相 组织仍是 B4 型贝氏体。 7 参考文献 [1] 刘正义, 黄振宗, 林鼎文, 55SiMnMo 钢上贝氏体形态。金属学 报, 1981, Vol. 17 No.2, P148. [2]柯俊, 奥氏体在中温的转变机构, 1954 年金属研究工作报告会会 刊, 第五册, P.81 [3]黎炳雄, 赵长有, 肖上工, 董鑫业, 胡铭, 钎具用钢手册 P.1 [4]刘正义, 林鼎文, 黎炳雄, 全国钎钢钎具年会论文集， 2011 年 长沙 [5]董鑫业, 徐曙光等, 钎钢轧后控冷工艺的研究，第四届钎钢技术 经验交流会, 1986 年 P.5 [6]新抚钢厂、北京钢铁研究院、广东工学院*, 金相组织对 55SiMnMo 钎杆寿命的影响, 新钢技术情报, 1975. 1. P.1 *华南理工大学在文革期间改名为广东工学院 8