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摘 要：本文主要研究了在不同奥氏体化温度、不同冷却方式对贝氏体钢的显微组织、硬度、冲击韧性的影响。实验表明：在不同热处理情况下，贝氏体钢的组织成分主要为粒状贝氏体和少量针状或板条状贝氏体。在相同奥氏体化温度下，空冷试验用钢的冲击韧性最好为75.4 J，其次是320℃等温处理为48 J，炉冷最差46.6J；空冷时的硬度最大为47.4HRC，其次是等温处理45.4HRC，炉冷时候的硬度最低42.3HRC。相同冷却方式下，奥氏体温度越高，硬度越低，冲击韧性有所提高。
关键词：辙叉贝氏体钢 奥氏体化温度 等温淬火
Effect of different heat treatments on the microstructure and properties of bainitic steel
XIONG Shi-bing LUAN Dao-cheng ZHANG Ren-jin TIAN Han-lin
School of material science and engineering， xihua university Chengdu 610039
Abstract. This paper mainly studied the effects in different austenitizing temperature and cooling ways of bainite steel hardness and impact toughness. Experiments showed that： Heat treatment under different circumstances， tissue components mainly granular bainitic steel bainite and a little needle or lath bainite.Under the same austenitizing temperature， Air-cooled steel toughness tested the most preferable with 75.4 J， Followed by 320 ℃ isothermal treatment for 48 J， Furnace cooling is the worst 46.6 / J； Hardness maximum was air cooling with 47.4 HRC ， Followed by isothermal treatment 45.4HRC， the lowest Hardness was 42.3HRC when it was in furnace cooling. Under the same cooling way， the higher austenitic temperature was， more toughness the impact was， and less lower the hardness was.
Keywords： Bainite steel austenitizing temperature austempering treatment
前言
鋼中贝氏体组织一般由贝氏体铁素体和其间分布的渗碳体组成。为了避免贝氏体碳化物BC的出现，在贝氏体钢中加入Si、Al等阻碍碳化物析出的合金元素，并在适当的冷却条件下，渗碳体的析出就会完全被抑制，使得形成的贝氏体为由贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。贝氏体铁素体和马氏体都是碳在a-Fe中的过饱和固溶体，其差别仅在于它们的过饱和碳量有所不同[1-3]。文献[5-7]的研究表明，奥氏体化温度和奥氏体化后的冷却方式显著影响钢的组织和性能，故作者就奥氏体化温度和奥氏体化后的冷却方式对贝氏体钢的组织和性能的影响进行了研究实验。
1、实验材料及方法
在此次试验中，选用的实验材料化学成分为：C：0.2-0.35%，Si：1.0-2.0%，Mn：1.0-2.0%，P： ≤0.035%，S≤0.025%，Cr1.0-2.0%，Ni0.2-0.6%，Mo0.2-0.7%。具体热处理工艺为：分别在880℃/60min和910℃/60min两种奥氏体温度后，按炉冷、空冷、320℃空气炉等温3h后空冷、300℃空气炉等温3h后空冷四种方式进行处理。按照GB2106-80标准加工U形缺口试样，利用JB-30B冲击试验机进行冲击实验。利用OLYMPUS-TOKYO金相显微镜观察组织；利用S-3400N扫描电镜观察冲击试样断口的形貌；利用HR-150A洛氏硬度计测试硬度。
2、试验结果及分析
2.1 不同热处理工艺的金相显微组织观察
图2.1给出了试验钢在热处理工艺处理后得到的金相组织。
图2.1 贝氏体钢在不同热处理工艺下的金相组织
a：880℃炉冷 b：910℃炉冷 c：880℃空冷d：910℃空冷e：880℃/320℃等温
f：910℃/320℃等温 g：880℃300℃等温h：910℃300℃等温
由图2.1可知，在不同的奥氏体温度下，奥氏体温度越高，贝氏体钢奥氏体化越充分，，碳化物等颗粒扩散更充分，得到的组织更均匀，更为致密，组织的取向性更好。在相同奥氏体化温度不同冷却方式下，贝氏体钢所得的金相组织差异都比较大。如图a和图b所示，炉冷时得到的组织大部分为粒状贝氏体，粒状贝氏体的形成温度在贝氏体转变中温区中稍高于典型上贝氏体区域，由于冷却速度较慢，炉冷时的组织中过冷奥氏体在冷却过程中先生成先共析铁素体组织，其最终组织特征是粒状贝氏体+块状状铁素体。如图c和图d所示，空冷状态大部分是粒状或板条状贝氏体跟马氏体组织的混合组织，板条间分布有不连续的第二相。空冷状态下，因为冷速较快，碳化物更是来不及析出，再加之该试验用钢含有大量的合金元素，如含有高达2.0%的Si，阻碍了碳化物的析出，取而代之的是富碳的稳定的奥氏体，所以生成的是准下贝氏体。对于等温处理，由于等温温度的温度范围主要在下贝氏体形成温度区间，故等温处理后得到的组织主要是贝氏体铁素体+残留奥氏体等组成的准下贝氏体。其中而在320℃等温处理后空冷得到的组织是粒状贝氏体和针状贝氏体等的混合贝氏体，但主要还是准下贝氏体组织，如图e和图f。在300℃等温处理后空冷时的组织如图g和图h所示，主要是典型的准下贝氏体组织， 由于等温处理温度的降低，其贝氏体开始由针状向块状转变，并且组织中开始出现了少量板条状贝氏体的出现。 2.2 硬度试验数据分析
对在不同热处理后的贝氏体钢进行洛氏硬度（HRC）测试，每个试样打十次硬度，取平均值得出结果如下：880℃奥氏体化时：炉冷42.3，空冷47.4， 320℃等温43.2， 300℃等温45.4， 910℃奥氏体化时：炉冷42.2；空冷44.9；320℃等温41.5；300℃等温43.5。
由实验结果可以看出，在不同奥氏体温度下，随着奥氏体温度升高，空冷和等温处理后试样硬度有一定的降低，这是由于大量碳化物溶入奥氏体中，冷却过程中由于冷速过快，溶入奥氏体中的碳化物不能全部析出，基体中高硬度相比例减少，导致硬度降低[8]。在相同奥氏体化温度下，空冷时的硬度最大，其次是等温处理，炉冷时候的硬度最低。这是因为空冷时冷却速度相对于炉冷和等温处理的速度比较快，碳原子在奥氏体中扩散不够充分，因此冷却过程中富碳奥氏体将部分转变成硬度较高的马氏体组织，使得马氏体的过饱和度增大，也提高了碳在马氏体中的固溶强化的作用[9]；等温处理后的试验用钢也是采取空冷，只是冷却速度不如空冷速度大，最终获得马氏体组织相对少，所以硬度相对低些。炉冷速度最慢，碳原子得到充分的扩散，铁素体中含碳量降低，M/A岛状组织数量减少，固溶强化作用减弱，因此硬度最低。
2.3冲击韧性分析
在不同热处理后，不同热处理工艺下的冲击韧性随不同奥氏体化温度及冷却方式的变化情况如下：880℃奥氏体化时：炉冷42.7J，空冷75.7J， 320℃等温51.3J， 300℃等温45J， 910℃奥氏体化时：炉冷46.3J；空冷77.3J；320℃等温54.7J；300℃等温49J。
根据实验结果可以得出，当奥氏体化温度相同时，空冷得到的试验用钢冲击韧性最好，其次是等温处理得到的试验用钢，炉冷得到的试验用钢的冲击韧性最差。其中等温温度为320℃时的冲击韧性优于等温温度为300℃的冲击韧性。 空冷时冷速比较快，碳原子扩散不够充分，形成的M/A岛状组织细小，并且数量较多，与贝氏体铁素体相间分布，并且冷速较快无碳化物析出，稳定的奥氏体对裂纹的扩展起阻碍作用，因而提高了试验钢的韧性[6]。等温处理时，主要得到下贝氏体组织，碳化物均匀细小的分布在鐵素体片内，起到弥散强化的作用，有利于阻碍裂纹的传播，从而表现出较高的冲击韧性；等温温度为320℃时的冲击韧性优于等温温度为300℃的冲击韧性，由于等温淬火温度较低时，相变驱动力很大，贝氏体将在过冷奥氏体中的贫碳区沿惯习面切变大量生核，而且温度很低，碳的扩散能力小，不能在奥氏体中作长距离扩散。随等温淬火温度提高，组织中残余奥氏体数量增加，从而使材料的冲击韧度提高。
2.4 断口分析
（a）880℃空冷 （b）880℃300℃等温（c）910℃空冷 （d）910℃300℃等温
图2.4 部分试样冲击断口的SEM照片
由图2.4部分试验钢的冲击断口SEM形貌可以看到：试样图a和c冲击断口是韧窝断裂类型，可以看到大量的均匀的韧窝特征，冲击韧性较好。图b和d的冲击断口是准解理断裂类型，其中有少量的河流花样和撕裂棱。在相同冷却方式不同奥氏体化温度下，通过观察图a和c的冲击断口SEM形貌，明显看出a的冲击韧性优于c的冲击韧性，a冲击断口类型是韧窝断裂，韧窝比较多，而c的冲击断口中的韧窝相对要少，而且还有少量的河流花样。通过对比b和d的断口形貌，b的韧窝明显多于d的韧窝，而且更加细小，说明其吸收的冲击功更多。这是因为d比b的奥氏体化温度高，奥氏体晶粒相对大些，这将对试验用钢的冲击韧性产生不利的影响。
结论：
1、本试验钢经过不同热处理后所得到的组织基本为粒状贝氏体，在炉冷的时候组织特征是粒状贝氏体+块状铁素体，空冷的组织主要为粒状或板条状贝氏体跟少量马氏体组织组成的混合组织；等温处理后得到的组织主要是贝氏体铁素体+残留奥氏体的混合组织。
2、在不同奥氏体温度下，880℃奥氏体温度处理后试样相对910℃奥氏体温度处理后试硬度增加，而冲击韧性有所降低。
3、在相同奥氏体化温度下，空冷时的硬度最大，、等温处理硬度其次，炉冷时候的硬度最低；空冷时的冲击韧性最大，等温处理冲击韧性其次是，炉冷时候的冲击韧性最低。
参考文献
1. 陈晓男等新型贝氏体辙叉心轨组织性能研究[D] 西华大学 2008-6
2. 林学强等35CRMO等钢的贝氏体、马氏体的组织转变的研究 内蒙古科技大学 2010-6
3. 刘宗昌，王海燕，任慧平等 贝氏体碳化物形成机理[J] 热处理技术与装备 2007， 28（4）：19-23
4. 邓至谦，周善初.金属材料及热处理[MI.中南工业大学出版社，1989
奥氏体化温度和空冷速率对CFB/M复相钢组织和性能的影响
5.刘 澄，朱启惠，姚 枚，等. 750MPa级热轧低碳低合金贝氏体建筑钢筋的研究[J].钢结构，1997，12（4）：26-28； 34.
6. 刘 澄，王德尊，姚 枚，等.冷却速度对20Mn2WNbB低碳贝氏体钢的组织形态及力学性能的影响[J].金属热处理， 1998， 23（4）： 9-11.
7. 鞠育平，何鹏瞧.奥氏体化温度及冷却方式对20Mn2SiVB钢组织及性能的影响[J].热加工工艺， 2006， 35（8）： 37-39.
8.刘向东，张国军等奥氏体花温度对ZG30MnCrSi等温淬火组织与性能的影响
9.吴伯涛等热处理工艺对新型贝氏体钢组织与性能的影响[D] 中南大学 2005-06-30
10.徐继彭，严有为，张海鸥等等温淬火工艺对奥-贝铸钢组织和性能的影响[J]2002-07
作者简介：熊师兵（1990-），男，四川南充人，硕士研究生，主要从事贝氏体钢研究。
关键词：辙叉贝氏体钢 奥氏体化温度 等温淬火
Effect of different heat treatments on the microstructure and properties of bainitic steel
XIONG Shi-bing LUAN Dao-cheng ZHANG Ren-jin TIAN Han-lin
School of material science and engineering， xihua university Chengdu 610039
Abstract. This paper mainly studied the effects in different austenitizing temperature and cooling ways of bainite steel hardness and impact toughness. Experiments showed that： Heat treatment under different circumstances， tissue components mainly granular bainitic steel bainite and a little needle or lath bainite.Under the same austenitizing temperature， Air-cooled steel toughness tested the most preferable with 75.4 J， Followed by 320 ℃ isothermal treatment for 48 J， Furnace cooling is the worst 46.6 / J； Hardness maximum was air cooling with 47.4 HRC ， Followed by isothermal treatment 45.4HRC， the lowest Hardness was 42.3HRC when it was in furnace cooling. Under the same cooling way， the higher austenitic temperature was， more toughness the impact was， and less lower the hardness was.
Keywords： Bainite steel austenitizing temperature austempering treatment
前言
鋼中贝氏体组织一般由贝氏体铁素体和其间分布的渗碳体组成。为了避免贝氏体碳化物BC的出现，在贝氏体钢中加入Si、Al等阻碍碳化物析出的合金元素，并在适当的冷却条件下，渗碳体的析出就会完全被抑制，使得形成的贝氏体为由贝氏体铁素体和残余奥氏体组成。贝氏体铁素体和马氏体都是碳在a-Fe中的过饱和固溶体，其差别仅在于它们的过饱和碳量有所不同[1-3]。文献[5-7]的研究表明，奥氏体化温度和奥氏体化后的冷却方式显著影响钢的组织和性能，故作者就奥氏体化温度和奥氏体化后的冷却方式对贝氏体钢的组织和性能的影响进行了研究实验。
1、实验材料及方法
在此次试验中，选用的实验材料化学成分为：C：0.2-0.35%，Si：1.0-2.0%，Mn：1.0-2.0%，P： ≤0.035%，S≤0.025%，Cr1.0-2.0%，Ni0.2-0.6%，Mo0.2-0.7%。具体热处理工艺为：分别在880℃/60min和910℃/60min两种奥氏体温度后，按炉冷、空冷、320℃空气炉等温3h后空冷、300℃空气炉等温3h后空冷四种方式进行处理。按照GB2106-80标准加工U形缺口试样，利用JB-30B冲击试验机进行冲击实验。利用OLYMPUS-TOKYO金相显微镜观察组织；利用S-3400N扫描电镜观察冲击试样断口的形貌；利用HR-150A洛氏硬度计测试硬度。
2、试验结果及分析
2.1 不同热处理工艺的金相显微组织观察
图2.1给出了试验钢在热处理工艺处理后得到的金相组织。
图2.1 贝氏体钢在不同热处理工艺下的金相组织
a：880℃炉冷 b：910℃炉冷 c：880℃空冷d：910℃空冷e：880℃/320℃等温
f：910℃/320℃等温 g：880℃300℃等温h：910℃300℃等温
由图2.1可知，在不同的奥氏体温度下，奥氏体温度越高，贝氏体钢奥氏体化越充分，，碳化物等颗粒扩散更充分，得到的组织更均匀，更为致密，组织的取向性更好。在相同奥氏体化温度不同冷却方式下，贝氏体钢所得的金相组织差异都比较大。如图a和图b所示，炉冷时得到的组织大部分为粒状贝氏体，粒状贝氏体的形成温度在贝氏体转变中温区中稍高于典型上贝氏体区域，由于冷却速度较慢，炉冷时的组织中过冷奥氏体在冷却过程中先生成先共析铁素体组织，其最终组织特征是粒状贝氏体+块状状铁素体。如图c和图d所示，空冷状态大部分是粒状或板条状贝氏体跟马氏体组织的混合组织，板条间分布有不连续的第二相。空冷状态下，因为冷速较快，碳化物更是来不及析出，再加之该试验用钢含有大量的合金元素，如含有高达2.0%的Si，阻碍了碳化物的析出，取而代之的是富碳的稳定的奥氏体，所以生成的是准下贝氏体。对于等温处理，由于等温温度的温度范围主要在下贝氏体形成温度区间，故等温处理后得到的组织主要是贝氏体铁素体+残留奥氏体等组成的准下贝氏体。其中而在320℃等温处理后空冷得到的组织是粒状贝氏体和针状贝氏体等的混合贝氏体，但主要还是准下贝氏体组织，如图e和图f。在300℃等温处理后空冷时的组织如图g和图h所示，主要是典型的准下贝氏体组织， 由于等温处理温度的降低，其贝氏体开始由针状向块状转变，并且组织中开始出现了少量板条状贝氏体的出现。 2.2 硬度试验数据分析
对在不同热处理后的贝氏体钢进行洛氏硬度（HRC）测试，每个试样打十次硬度，取平均值得出结果如下：880℃奥氏体化时：炉冷42.3，空冷47.4， 320℃等温43.2， 300℃等温45.4， 910℃奥氏体化时：炉冷42.2；空冷44.9；320℃等温41.5；300℃等温43.5。
由实验结果可以看出，在不同奥氏体温度下，随着奥氏体温度升高，空冷和等温处理后试样硬度有一定的降低，这是由于大量碳化物溶入奥氏体中，冷却过程中由于冷速过快，溶入奥氏体中的碳化物不能全部析出，基体中高硬度相比例减少，导致硬度降低[8]。在相同奥氏体化温度下，空冷时的硬度最大，其次是等温处理，炉冷时候的硬度最低。这是因为空冷时冷却速度相对于炉冷和等温处理的速度比较快，碳原子在奥氏体中扩散不够充分，因此冷却过程中富碳奥氏体将部分转变成硬度较高的马氏体组织，使得马氏体的过饱和度增大，也提高了碳在马氏体中的固溶强化的作用[9]；等温处理后的试验用钢也是采取空冷，只是冷却速度不如空冷速度大，最终获得马氏体组织相对少，所以硬度相对低些。炉冷速度最慢，碳原子得到充分的扩散，铁素体中含碳量降低，M/A岛状组织数量减少，固溶强化作用减弱，因此硬度最低。
2.3冲击韧性分析
在不同热处理后，不同热处理工艺下的冲击韧性随不同奥氏体化温度及冷却方式的变化情况如下：880℃奥氏体化时：炉冷42.7J，空冷75.7J， 320℃等温51.3J， 300℃等温45J， 910℃奥氏体化时：炉冷46.3J；空冷77.3J；320℃等温54.7J；300℃等温49J。
根据实验结果可以得出，当奥氏体化温度相同时，空冷得到的试验用钢冲击韧性最好，其次是等温处理得到的试验用钢，炉冷得到的试验用钢的冲击韧性最差。其中等温温度为320℃时的冲击韧性优于等温温度为300℃的冲击韧性。 空冷时冷速比较快，碳原子扩散不够充分，形成的M/A岛状组织细小，并且数量较多，与贝氏体铁素体相间分布，并且冷速较快无碳化物析出，稳定的奥氏体对裂纹的扩展起阻碍作用，因而提高了试验钢的韧性[6]。等温处理时，主要得到下贝氏体组织，碳化物均匀细小的分布在鐵素体片内，起到弥散强化的作用，有利于阻碍裂纹的传播，从而表现出较高的冲击韧性；等温温度为320℃时的冲击韧性优于等温温度为300℃的冲击韧性，由于等温淬火温度较低时，相变驱动力很大，贝氏体将在过冷奥氏体中的贫碳区沿惯习面切变大量生核，而且温度很低，碳的扩散能力小，不能在奥氏体中作长距离扩散。随等温淬火温度提高，组织中残余奥氏体数量增加，从而使材料的冲击韧度提高。
2.4 断口分析
（a）880℃空冷 （b）880℃300℃等温（c）910℃空冷 （d）910℃300℃等温
图2.4 部分试样冲击断口的SEM照片
由图2.4部分试验钢的冲击断口SEM形貌可以看到：试样图a和c冲击断口是韧窝断裂类型，可以看到大量的均匀的韧窝特征，冲击韧性较好。图b和d的冲击断口是准解理断裂类型，其中有少量的河流花样和撕裂棱。在相同冷却方式不同奥氏体化温度下，通过观察图a和c的冲击断口SEM形貌，明显看出a的冲击韧性优于c的冲击韧性，a冲击断口类型是韧窝断裂，韧窝比较多，而c的冲击断口中的韧窝相对要少，而且还有少量的河流花样。通过对比b和d的断口形貌，b的韧窝明显多于d的韧窝，而且更加细小，说明其吸收的冲击功更多。这是因为d比b的奥氏体化温度高，奥氏体晶粒相对大些，这将对试验用钢的冲击韧性产生不利的影响。
结论：
1、本试验钢经过不同热处理后所得到的组织基本为粒状贝氏体，在炉冷的时候组织特征是粒状贝氏体+块状铁素体，空冷的组织主要为粒状或板条状贝氏体跟少量马氏体组织组成的混合组织；等温处理后得到的组织主要是贝氏体铁素体+残留奥氏体的混合组织。
2、在不同奥氏体温度下，880℃奥氏体温度处理后试样相对910℃奥氏体温度处理后试硬度增加，而冲击韧性有所降低。
3、在相同奥氏体化温度下，空冷时的硬度最大，、等温处理硬度其次，炉冷时候的硬度最低；空冷时的冲击韧性最大，等温处理冲击韧性其次是，炉冷时候的冲击韧性最低。
参考文献
1. 陈晓男等新型贝氏体辙叉心轨组织性能研究[D] 西华大学 2008-6
2. 林学强等35CRMO等钢的贝氏体、马氏体的组织转变的研究 内蒙古科技大学 2010-6
3. 刘宗昌，王海燕，任慧平等 贝氏体碳化物形成机理[J] 热处理技术与装备 2007， 28（4）：19-23
4. 邓至谦，周善初.金属材料及热处理[MI.中南工业大学出版社，1989
奥氏体化温度和空冷速率对CFB/M复相钢组织和性能的影响
5.刘 澄，朱启惠，姚 枚，等. 750MPa级热轧低碳低合金贝氏体建筑钢筋的研究[J].钢结构，1997，12（4）：26-28； 34.
6. 刘 澄，王德尊，姚 枚，等.冷却速度对20Mn2WNbB低碳贝氏体钢的组织形态及力学性能的影响[J].金属热处理， 1998， 23（4）： 9-11.
7. 鞠育平，何鹏瞧.奥氏体化温度及冷却方式对20Mn2SiVB钢组织及性能的影响[J].热加工工艺， 2006， 35（8）： 37-39.
8.刘向东，张国军等奥氏体花温度对ZG30MnCrSi等温淬火组织与性能的影响
9.吴伯涛等热处理工艺对新型贝氏体钢组织与性能的影响[D] 中南大学 2005-06-30
10.徐继彭，严有为，张海鸥等等温淬火工艺对奥-贝铸钢组织和性能的影响[J]2002-07
作者简介：熊师兵（1990-），男，四川南充人，硕士研究生，主要从事贝氏体钢研究。