智超等：纳米贝氏体的热力学分析及强韧化研究 ·693 700(a 700) 600 600 500 s00 06CB.=416℃ 05MnB=425℃ 400 400 0.8Ca=3无 300 1.0CB28 300 0.6C,M=239℃ 200 200 08CM=153C 100 0.9CM=106℃ 100 -1.0CM=62℃ 10 100 1000 10000 0 100 1000 10000 时间s 时间/s 700c 700 55 2.05 600 600 2.5S 500 500 05CrB=355C 1.56r.Bs=328℃ 2400 1.0.B=341℃ 2.0CBs=314℃ 400 0.5Ce.M.■167C 200 上10C,M=153℃ 200 100 1.5CM=139℃ 100 2.0CM=125℃ 00 100 1000 10000 100 1000 10000 时间/s 时间/s xC(x=0.6%~1.0%)、yMn(y=0.5%~2.0%)、Cr(z=0.5%~2.0%)和Si(w=1.5%~2.5%)分别为C、Mn、Cr和Si的质量分数 图2合金元素对TTT曲线的影响.(a)C:(b)Mn;(e)Cr:(d)Si Fig.2 Effects of alloy elements on TTT curves:(a)C:(b)Mn:(c)Cr;(d)Si 与高碳含量成分合金在相同温度等温的孕育期基本相 提高奥氏体的屈服强度，有利于无碳化物贝氏体的形 同.可见，含碳量的增加对等温贝氏体相变孕育期的 成；A元素可以增大奥氏体与铁素体的自由能差，获 推迟并不明显，孕育期的长短主要取决于温度.因此， 得更大的相变驱动力，从而加速纳米贝氏体相变如 在设计新的加速相变的纳米贝氏体钢成分时，降低碳 综上所述，本文中纳米贝氏体钢新设计成分和治 元素含量可不作为首要考虑因素 炼成分如表1所示. 图2(b)为不同Mn含量合金的等温相变TTT曲 表1实验钢的化学成分（质量分数） 线，成分体系为0.8C-1.5 Si-yMn--1 Cr-1Co-1Al.随着 Table 1 Chemical composition of the tested steel % Mn元素的质量分数从0.5%增加到2.0%，Bs点和Ms 合金成分 C Si Mn Al 点均随之降低，但M元素对相变点温度的影响远不 设计成分0.802.500.501.00 如C元素强烈.从贝氏体相变C曲线“鼻尖”点位置 治练成分0.832.440.430.730.060.04 可以明显看出，M元素含量的增加能显著推迟相变孕 育期. 图2(c)为不同Cr含量合金的等温转变TTT曲 2工艺设计及实验方法 线，成分体系为0.8C-1.5Si-2 Mn-zCr--1Co-1Al,Cr元 利用mucg83软件计算得到本文设计合金成分的 素的质量分数从0.5%增加至2.0%.Cr元素对Ms点 TTT曲线如图3所示，Bs温度为414℃，Ms温度为 温度的影响更小，但对相变孕育期的推迟作用很明显， 221℃.利用德国DL805A热淬火膨胀仪测定其Ms 可见C含量在成分设计中必需是重点考虑因素，甚至 点温度为225℃，与热力学计算结果相似，并对230、 可以考虑不添加Cr元素. 300和350℃等温淬火热处理工艺进行模拟，获得贝氏 图2(d)为不同Si含量合金的等温相变TTT曲 体相变膨胀量时间曲线和相变速率时间曲线如图4 线.Sⅰ元素对扩散相变有轻微推迟作用，但几乎不影 所示. 响贝氏体相变，也不改变合金Bs及Ms点温度.另外， 从图4中可以看出设计钢种贝氏体相变开始很 S不溶于碳化物，可以抑制碳化物从奥氏体中析出，并 快，在230、300和350℃等温贝氏体开始相变的时间智 超等: 纳米贝氏体的热力学分析及强韧化研究 xC ( x = 0. 6% ～ 1. 0% ) 、yMn ( y = 0. 5% ～ 2. 0% ) 、zCr ( z = 0. 5% ～ 2. 0% ) 和 wSi ( w = 1. 5% ～ 2. 5% ) 分别为 C、Mn、Cr 和 Si 的质量分数 图 2 合金元素对 TTT 曲线的影响． ( a) C; ( b) Mn; ( c) Cr; ( d) Si Fig． 2 Effects of alloy elements on TTT curves: ( a) C; ( b) Mn; ( c) Cr; ( d) Si 与高碳含量成分合金在相同温度等温的孕育期基本相 同． 可见，含碳量的增加对等温贝氏体相变孕育期的 推迟并不明显，孕育期的长短主要取决于温度． 因此， 在设计新的加速相变的纳米贝氏体钢成分时，降低碳 元素含量可不作为首要考虑因素． 图 2( b) 为不同 Mn 含量合金的等温相变 TTT 曲 线，成分体系为 0. 8C--1. 5Si--yMn--1Cr--1Co--1Al． 随着 Mn 元素的质量分数从 0. 5% 增加到 2. 0% ，Bs 点和 Ms 点均随之降低，但 Mn 元素对相变点温度的影响远不 如 C 元素强烈． 从贝氏体相变 C 曲线“鼻尖”点位置 可以明显看出，Mn 元素含量的增加能显著推迟相变孕 育期． 图 2( c) 为不同 Cr 含量合金的等温转变 TTT 曲 线，成分体系为 0. 8C--1. 5Si--2Mn--zCr--1Co--1Al，Cr 元 素的质量分数从 0. 5% 增加至 2. 0% ． Cr 元素对 Ms 点 温度的影响更小，但对相变孕育期的推迟作用很明显， 可见 Cr 含量在成分设计中必需是重点考虑因素，甚至 可以考虑不添加 Cr 元素． 图 2( d) 为不同 Si 含量合金的等温相变 TTT 曲 线． Si 元素对扩散相变有轻微推迟作用，但几乎不影 响贝氏体相变，也不改变合金 Bs 及 Ms 点温度． 另外， Si 不溶于碳化物，可以抑制碳化物从奥氏体中析出，并 提高奥氏体的屈服强度，有利于无碳化物贝氏体的形 成; Al 元素可以增大奥氏体与铁素体的自由能差，获 得更大的相变驱动力，从而加速纳米贝氏体相变［11］． 综上所述，本文中纳米贝氏体钢新设计成分和冶 炼成分如表 1 所示． 表 1 实验钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the tested steel % 合金成分 C Si Mn Al P S 设计成分 0. 80 2. 50 0. 50 1. 00 — — 冶炼成分 0. 83 2. 44 0. 43 0. 73 0. 06 0. 04 2 工艺设计及实验方法 利用 mucg83 软件计算得到本文设计合金成分的 TTT 曲 线 如 图 3 所 示，Bs 温 度 为 414 ℃，Ms 温 度 为 221 ℃ ． 利用德国 DIL 805A 热淬火膨胀仪测定其 Ms 点温度为 225 ℃，与热力学计算结果相似，并对 230、 300 和 350 ℃等温淬火热处理工艺进行模拟，获得贝氏 体相变膨胀量--时间曲线和相变速率--时间曲线如图 4 所示． 从图 4 中可以看出设计钢种贝氏体相变开始很 快，在 230、300 和 350 ℃ 等温贝氏体开始相变的时间 · 396 ·