劉樂樂，馬艷霞，梁 晨，苑 偉

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所，河南 洛陽 471023）

50CrVA鋼是一種具有一定強(qiáng)度和良好韌性的中碳合金彈簧鋼，力學(xué)性能和淬透性能良好，常被用于制造汽車離合器膜片、汽車螺旋懸掛彈簧等[1-2]。隨著中國汽車及高速列車的飛速發(fā)展，對高品質(zhì)50CrVA彈簧鋼的需求量呈逐年上升趨勢[3]。目前國內(nèi)50CrVA彈簧鋼常采用控軋控冷工藝生產(chǎn)，控軋控冷后穩(wěn)定的組織和性能對鋼的品質(zhì)影響極大[4-5]。過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）能精確地反映不同冷卻速度下材料的相變轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變量之間的關(guān)系，是制定鋼材控軋控冷工藝和熱處理參數(shù)的重要理論依據(jù)[6-7]。本文采用膨脹法結(jié)合金相-顯微硬度法，在熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上測定了50CrVA彈簧鋼的相變臨界點(diǎn)和CCT曲線，為制定50CrVA鋼的塑性加工和熱處理工藝提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為某工廠生產(chǎn)的50CrVA熱軋態(tài)的彈簧鋼板，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分/Wt.%

按照YB/T5128-1993《鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖的測定》中的要求，取樣機(jī)加工成?3mm×10mm的圓柱形熱模擬試樣。在Gleeble-3500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上將試樣以10℃/s的加熱速度加熱到奧氏體化溫度（950℃）并保溫10min，使得試樣充分奧氏體化，獲得臨界點(diǎn)Ac1、Ac3。以0.5℃/s的冷卻速度冷卻到室溫，獲得臨界點(diǎn)Ar1、Ar3。

利用此膨脹法，分別以9種不同的冷卻速度（0.5、1、2.5、5、10、20、30、40、50℃/s） 將試樣冷卻，獲得不同冷卻速率下的熱膨脹曲線。采用Leica DM6000M金相顯微鏡觀察金相組織。采用Microhardness Tester FM-7型顯微硬度計(jì)測得不同冷卻速度條件下試樣的顯微硬度。

結(jié)合微觀組織和顯微硬度分析結(jié)果，采用切線法得到不同冷速下的各相變起始溫度和終止溫度，在時(shí)間-溫度坐標(biāo)中繪制出實(shí)驗(yàn)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)鋼相變臨界點(diǎn)

當(dāng)鋼發(fā)生固態(tài)相變時(shí)，由于新舊兩相的結(jié)構(gòu)、比熱不同，材料的體積將發(fā)生不連續(xù)的變化，因而熱膨脹曲線在相變發(fā)生的溫度處會形成拐點(diǎn)，因此可以根據(jù)熱膨脹曲線上拐點(diǎn)來確定相變溫度。

圖1為實(shí)驗(yàn)鋼在10℃/s的加熱速度和0.5℃/s的冷卻速度條件下的熱膨脹量與溫度之間的關(guān)系。采用切線法可測得實(shí)驗(yàn)鋼臨界點(diǎn)分別為Ac1=756℃、Ac3=849℃、Ar1=697℃、Ar3=746℃。

2.2 不同冷卻速度條件下的顯微組織

圖1 實(shí)驗(yàn)鋼的熱膨脹曲線量-溫度

膨脹法只能從各種曲線上分析奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的類型和數(shù)量，不能進(jìn)行直接觀察，尤其是在某些關(guān)鍵部位，由于轉(zhuǎn)變量較少等因素，在膨脹曲線上相變點(diǎn)不明顯，測量的準(zhǔn)確度受到影響，因此要輔以金相法和硬度法。金相法往往作為其他方法的一種補(bǔ)充和必要的校準(zhǔn)手段，用于提高測量的準(zhǔn)確度，如果轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的金相組織形態(tài)不易鑒別出來，就需要輔以硬度法，用硬度的測試結(jié)果來確定轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。

圖2（參見下頁）為實(shí)驗(yàn)鋼以不同速度冷卻到室溫的金相組織照片。由圖可見，當(dāng)冷卻速度為0.5℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為大量塊狀鐵素體+珠光體+少量貝氏體，隨著冷卻速度的增加，鐵素體含量降低，塊狀尺寸相應(yīng)的減小，貝氏體的含量逐漸增加，當(dāng)冷卻速度為2.5℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以貝氏體為主，含量少量的鐵素體，當(dāng)冷卻速度為5℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中開始出現(xiàn)少量的馬氏體，鐵素體含量極少，只在個(gè)別視場中發(fā)現(xiàn)了顆粒狀的鐵素體。當(dāng)冷卻速度增加到10～50℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體。

圖2 不同冷卻速度對應(yīng)的膨脹曲線

2.3 不同冷卻速度條件下的顯微硬度

圖3為實(shí)驗(yàn)鋼顯微硬度隨冷卻速度變化的關(guān)系曲線。從圖3中可以看出，當(dāng)冷卻速度小于5℃/s時(shí)，顯微硬度隨冷卻速度增大顯著提高，曲線斜率很大。當(dāng)冷卻速度為0.5℃/s時(shí)，對應(yīng)的顯微硬度為281HV，當(dāng)冷速為5℃/s時(shí)，對應(yīng)顯微硬度增加到564HV。當(dāng)冷速為當(dāng)冷卻速度大于5℃/s時(shí)，曲線趨于水平，其顯微硬度趨于穩(wěn)定。

圖3 實(shí)驗(yàn)鋼顯微硬度隨冷卻速度變化的關(guān)系曲線

2.4 CCT曲線的繪制及討論

根據(jù)不同冷卻速度膨脹曲線上的切點(diǎn)，結(jié)合顯微組織觀察和顯微硬度測量，可確定出實(shí)驗(yàn)鋼不同冷卻速度下的相變溫度，如表2所示。

表2 不同冷卻速度對應(yīng)的相變點(diǎn)

將表2中的相變點(diǎn)繪制到溫度-時(shí)間半對數(shù)坐標(biāo)上，用連線法將各物理意義相同的點(diǎn)連接起來，同時(shí)，在該坐標(biāo)上標(biāo)出Ac1、Ac3和Ms，即可繪出實(shí)驗(yàn)鋼的CCT圖，如圖4所示。圖4中冷卻曲線旁的數(shù)字為冷卻速度（℃/s），冷卻曲線下端的數(shù)字為以此速度冷卻后試樣的室溫維氏硬度值（HV）。

圖4 實(shí)驗(yàn)鋼的CCT圖

從CCT圖可以看出，50CrVA彈簧鋼的奧氏體以不同冷速連續(xù)冷卻時(shí)經(jīng)歷了3個(gè)區(qū)，在高溫區(qū)有鐵素體轉(zhuǎn)變和珠光體轉(zhuǎn)變，中溫區(qū)有貝氏體轉(zhuǎn)變，低溫區(qū)有馬氏體轉(zhuǎn)變。當(dāng)冷卻速度小于5℃/s時(shí)，50CrVA彈簧鋼的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為多邊形鐵素體、珠光體和少量貝氏體的混合組織；當(dāng)冷卻速度為5℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為顆粒狀鐵素體、貝氏體及少量馬氏體；當(dāng)冷卻速度達(dá)到10℃/s時(shí)，從膨脹曲線以及顯微組織中可以斷定已不存在鐵素體轉(zhuǎn)變，硬度曲線也可以看出，冷卻速度達(dá)到10℃/s后，硬度值穩(wěn)定在680HV左右。因此，判斷50CrV4鋼不發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度在5-10℃/s之間，10℃/s為發(fā)生完全馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度。

50CrVA鋼中的主要合金元素Cr、V等都能提高碳在奧氏體中的擴(kuò)散激活能，降低碳的擴(kuò)散速度，推遲了奧氏體的擴(kuò)散分解過程[8-9]，所以實(shí)驗(yàn)鋼在相對比較慢的冷速（0.5℃/s-2.5℃/s）下有先共析鐵素體生成。隨冷卻速度的增加，抑制了新形成的鐵素體晶核的長大，使其在相變產(chǎn)物中所占比例逐漸減少，當(dāng)冷速達(dá)到某一臨界值時(shí)，形成的鐵素體晶核不能達(dá)到長大的臨界尺寸，共析鐵素體的析出完全受到抑制。

過冷奧氏體冷卻時(shí)遠(yuǎn)離平衡態(tài)，會出現(xiàn)貧碳區(qū)和富碳區(qū)的漲落，加速隨機(jī)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)漲落和能量漲落，在貧碳區(qū)建構(gòu)鐵素體，在富碳區(qū)構(gòu)建滲碳體或碳化物，二者共析發(fā)生互為因果，無論哪一相領(lǐng)先，結(jié)果都是形成珠光體的晶核[10-11]。實(shí)驗(yàn)鋼在較低速度冷卻時(shí)，在高溫區(qū)生成細(xì)片狀珠光體。珠光體是共析鐵素體和共析碳化物有機(jī)結(jié)合的整合組織。在過冷奧氏體的連續(xù)冷卻過程中，隨著溫度的降低，碳擴(kuò)散速度減慢，碳原子難以進(jìn)行長距離的遷移，珠光體間距越來越小，共析愈來愈困難，當(dāng)溫度降低到Bs點(diǎn)時(shí)，共析將不能進(jìn)行，貝氏體優(yōu)先在晶界單獨(dú)析出，當(dāng)溫度繼續(xù)降低時(shí)，鐵原子和碳原子都不能發(fā)生擴(kuò)散，只能通過切變發(fā)生晶格改組，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。隨著冷卻速度的增大，過冷奧氏體極大遠(yuǎn)離平衡態(tài)，當(dāng)達(dá)到MS點(diǎn)時(shí)，在奧氏體晶粒內(nèi)的位錯(cuò)或?qū)渝e(cuò)處，發(fā)生結(jié)構(gòu)漲落和能量漲落，并通過位錯(cuò)或?qū)渝e(cuò)的運(yùn)動，迅速放大這種漲落，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)冷卻速度小于5℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為多邊形鐵素體、珠光體和少量貝氏體的混合組織；當(dāng)冷卻速度為5℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為顆粒狀鐵素體、貝氏體及少量馬氏體；當(dāng)冷卻速度大于5℃/s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體。

（2）不發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度在5～10℃/s之間，發(fā)生完全馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度為10℃/s。