第23卷第4期2011年4月钢铁研究学报Jour nal of Ir on and Steel ResearchV ol.23,No.4 A pril 2011基金项目: 十一五 国家科技支撑计划项目(2007BAE 51B04); 上海市重点学科建设 (S30107);宝山钢铁股份有限公司项目:高性能精品模具钢系列产品的研究与开发(2007 9~2010 12)作者简介:李绍宏(1982 ),男,博士研究生; E mail:un iqu els h@; 收稿日期:2010 01 18高碳高合金马氏体钢回火过程连续性转变的内耗行为研究李绍宏, 邓黎辉, 谢殷子, 吴晓春(上海大学材料科学与工程学院,上海200072)摘 要:高碳高合金马氏体钢淬火后在回火过程中存在过饱和碳原子偏聚现象,碳原子偏聚于位错附近的间隙位置,回火过程中以碳化物形式沉淀析出。
通过内耗研究表明,随着回火温度的增加,Snoek 峰驰豫强度下降并消失,SK K 峰驰豫强度降低并随回火温度的升高而宽化。
由该结果可知由于大量碳原子偏聚于位错处,随后以细颗粒碳化物形式在位错处析出。
随着回火温度增加,大部分位错回复消失及碳化物聚集长大,同时残余奥氏体分解产生硬化效应,使钢的硬度增加而韧性下降。
关键词:高合金;马氏体;位错;内耗;滞弹性;残余奥氏体文献标志码:A 文章编号:1001 0963(2011)04 0037 05Internal Friction Behavior of Continuous Transformation During the Process of Tempering on the High Carbon High Alloyed Martensitic SteelLI Shao hong, Deng Li hui, XIE Yin zi, WU Xiao chun(Scho ol of M ater ials Science and Eng ineer ing,Shang hai U niver sity,Shanghai 200072,China)Abstract:T he super satur ating car bo n ato ms wer e apt to seg reg ate nearby t he dislocatio ns and precipitated as car bides in the hig h carbon high allo y martensitic steels during tempering.T he results o f inter na l friction behavio r show that the str eng th of Sno ek r elax atio n and the SK K peak are reduced wit h the incensement of tempering tem per ature.I n addition,the SK K peaks are broader w hile the temperatur e increases.T he results indicate the car bo n atoms cluster s nearby the dislocations and precipit ated as car bides dur ing temper ing.T he dislocatio ns are elimina ted and the car bides gr ow up in the process of tempering.At the same time,the transformation of retained austenite enhances t he hardness and decreases the to ug hness.Key words:hig h allo y steel;martensite;dislocatio n;internal fr ictio n;anelasticity ;r etained austenite物体在发生机械振动的过程中由于内部原因引起振动能量逐渐损耗的现象称为内耗(IF)。
金属材料的内耗与材料本身结构特点和结构缺陷有密切的联系[1],内耗是其内部的点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷以及它们之间相互作用而具有的吸收其机械能的一种材料属性。
由于材料的滞弹性(anelastici ty )[2 3],应变要经过一个弛豫过程才能达到与应力相应的平衡值。
当应力卸载后,应变经过弛豫又逐渐回复到零。
弛豫时间 随着温度T 的变化而变化,通常遵从Arrhenius 关系:= 0ex p E kT(1)式中,E 是激活能;k 是玻尔兹曼常数; 0是弛豫时间指数前因子;T 为绝对温度。
根据滞弹性内耗的理论[1 2],当 =1时( =2 f ,f 是测量频率),即当=2 f 0expEkT=1(2)时,内耗将出现一个峰值。
根据内耗峰出现或消失的条件可推知物体内部发生的组织结构的变化。
为准确确定内耗峰温,背景内耗Q -1b 可根据下式从内耗曲线上扣除[4]:Q-1b=A+B ex p-Ck T(3)式中,k为玻尔兹曼常数;A,B和C均是与温度无关的待定常数;T为绝对温度。
高碳高合金马氏体钢回火转变过程复杂,其转变包括碳原子向点阵偏聚、碳化物的沉淀析出、残余奥氏体转变、马氏体分解等,这些过程往往相互重叠并发生在一个很小的范围内,利用直观方法往往难以明确其转变过程的连续性,笔者试图用内耗的方法研究回火过程转变的连续性。
1 试验材料及方法试验材料为宝钢特钢生产的新型高强韧高碳高合金冷作模具钢。
该钢经电渣重熔后锻造成 180mm成品棒材,其化学成分见表1所示(质量分数,%)。
试验材料经1313K油淬后加工成1m m 2m m 50m m试样在低频内耗仪[1](葛氏扭摆)上以自由衰减方式测量其淬火态和经不同温度回火后的温度 内耗谱(Q-1 T)。
加热速率为3K/m in,测量温度范围为室温到723K,应变振幅为3 10-6。
冲击韧性试样尺寸为10mm 10mm 55mm无缺口试样。
残余奥氏体量的测定采用X射线[CuK ( = 1 5418 10-10m)]衍射仪(D/M ax 2200,Rigaku, Japan)进行,并结合相变仪(DIL805A/D,Baehr Thermo,Ger many)进行回火过程的转变研究。
表1 试验材料的化学成分Table1 Chemical composition of the used steel %元素C Si M n C r M o V S P含量0 980 980 308 802 000 500 00080 012 试验结果与讨论2 1 高碳高合金钢的基本内耗行为图1显示了高碳高合金钢经淬火后进行升温和降温过程的内耗行为。
从图1中可以看到,经淬火后升温测量在492 5K附近出现了一个很高的内耗峰,而降温过程的内耗峰则明显降低并宽化,同时峰温向高温移动至525K。
图2分别为淬火态和经不同温度回火后试样的内耗行为。
从图2中可以看出,经483K回火后内耗峰比淬火态的内耗峰稍高,峰温为501 5K,并且在353~503K范围内回火试样的内耗明显低于淬火试样的内耗。
试样经813K 高温回火后内耗峰明显降低并宽化且峰温(595K)向高温移动。
图1 淬火态升温和降温时温度 内耗谱Fig 1 Internal friction as a f unction of temperature during heating and cooling in the quenched sample图2 不同热处理状态升温温度 内耗谱Fig 2 Internal friction as a function of temperature indif ferent tempering samples由于高碳高合金马氏体钢回火时存在碳原子向点阵偏聚、碳化物的沉淀析出、残余奥氏体转变、马氏体分解等过程,而这些过程往往相互重叠并发生在一个很小的范围内。
图3、图4分别为淬火态和483K回火态试样根据内耗理论[4 6]进行内耗峰分峰图3 1313K淬火态的内耗峰Fig 3 Internal friction spectra of quenched sample38钢 铁 研 究 学 报 第23卷图4 483K回火态的内耗峰Fig 4 Internal friction spectra of tempered sample处理的温度 内耗谱。
经过背景扣除[7]并计算激活能[6,8]可将淬火态试样和483K回火态试样的温度 内耗谱分出4个内耗峰。
根据峰温的高低分别标识为P1(343K)、P2(454K)、P3(501K)、P4(553K),其中P1(H=0 878eV, 0=5 516 10-15s)为间隙碳原子应力感生有序作用引起的Snoek峰[9 12]。
P3 (H=1 28eV, 0=1 924 10-15s)经二次升温测量和随着回火温度的升高峰温不断降低并明显宽化。
大量研究表明该峰为SKK峰[13 15]。
Schoeck[16]和Seeger[17]认为该峰是由于位错运动引起气团中间隙原子的重新分布,位错附近溶质原子气团、弯结对的形成以及弯结的侧向运动拖拽溶质原子一起运动,间隙原子与位错之间的交互作用在应力作用下引起的[18]。
如图2所示,经483K回火后SKK峰比淬火态试样SKK峰高,但随着回火温度的升高,位错被回复、消失,间隙原子与位错的交互作用减弱而使内耗峰降低。
同时回火过程中碳化物在位错周围的析出而造成对位错的钉扎作用,使位错在应力作用下拖拽能力减弱而导致峰温向高温移动及宽化。
2 2 高碳高合金钢回火过程的内耗表征2 2 1 碳偏聚在 Fe中应力诱发碳、氮等间隙原子微扩散而引起的驰豫称为Snoek驰豫[19]。
由于淬火马氏体在位错和亚晶壁的周围存在应力场,从而为碳原子提供了比正常点阵间隙位置能量更低的位置 缺陷附近的一些间隙位置。
当马氏体在低温回火时碳原子首先向这些低能量的位置上重新分布。
由于间隙原子在外力作用时存在应力感生有序的倾向,对应于应力产生的应变就有弛豫现象。
当晶体在这个方向上受交变应力作用时,间隙原子在这些位置来回跳动且应变落后于应力而导致能量的损耗。
弘津祯彦[20]研究了含碳量为1 1%高碳钢马氏体中某一碳原子周围的八面体位置上其他碳原子可能出现的几率(图5)。
可见其他碳原子最易在(100)晶面聚集,其次为(110)晶面。