50crmnva钢静态连续冷却相变研究

摘要随着经济的快速发展，市场对高品质弹簧扁钢的需求量越来越大。50CRMNVA钢在力学性能、气体含量、夹杂物、脱碳等方面的技术要求均高于常规弹簧钢，是典型的高技术含量和高附加值产品，兼有超高强度和和高塑型，在汽车，化工容器，重工业方面有很大的应用1,2。它的自主供应和弹簧钢的极大需求，使得其在国家现有弹簧钢中显得尤为重要，是一种需求量很大的高潜力弹簧钢。本文以中国第一汽车公司提供的50CRMNVA钢为研究对象，在FORMASTORFII型全自动相变膨胀仪上进行了不同冷却速度的静态热模拟实验，采用热膨胀法与金相组织观察和硬度测量法相结合手段，利用ORGIN软件绘制了实验钢的静态连续冷却转变曲线，即静态CCT曲线，研究了实验钢在静态连续冷却相变过程中的显微组织演变规律。研究结果表明（1）该钢的CCT曲线相变区主要包括高温转变区、中温转变区和低温转变区三部分。相变产物主要是铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体。而且随着冷却速度的提高，铁素体、珠光体和贝氏体相变的转变开始温度都降低。（2）相变产物随冷却速度的改变而改变。当冷却速度小于025/S时，实验钢的相变组织为珠光体和极少量的铁素体。在05/S冷却速率下，显微组织为珠光体、贝氏体和极少量的铁素体。当冷却速率达到075/S时，相变组织为珠光体和贝氏体。当冷却速率为12/S时，相变组织为贝氏体和马氏体。当冷却速度超过5/S时，相变组织为单一的马氏体组织。（3）随着冷却速度的提高，实验钢的相变组织由铁素体珠光体，逐渐过渡为珠光体贝氏体，最后为单相马氏体组织，与此同时，其维氏硬度逐渐升高，数值逐渐由295升高到728。关键词弹簧钢；静态连续冷却相变；热模拟；显微组织THESTATICTHERMALSIMULATIONANALYSISONCONTINUOUSCOOLINGPHASETRANSFORMATIONOFTHE50CRMNVASTEELABSTRACTWITHTHERAPIDECONOMICDEVELOPMENT,MARKETDEMANDFORHIGHQUALITYFLATSTEELSPRINGGROWING50CRMNVATECHNICALREQUIREMENTSINTHEMECHANICALPROPERTIESOFSTEEL,GASCONTENT,INCLUSIONS,ANDOTHERASPECTSOFDECARBONIZATIONAREHIGHERTHANCONVENTIONALSPRINGSTEEL,ISTYPICALOFHIGHTECHANDHIGHVALUEADDEDPRODUCTS,ANDBOTHHIGHANDULTRAHIGHSTRENGTHPLASTIC,INAUTOMOTIVE,CHEMICALCONTAINERS,HEAVYINDUSTRYHASALOTOFAPPLICATIONS1,2ITISINDEPENDENTOFSUPPLYANDDEMANDAGREATSPRINGSTEEL,SOTHATITISPARTICULARLYIMPORTANTINTHEEXISTINGNATIONALSPRINGSTEELANDISAGREATDEMANDFORHIGHPOTENTIALSPRINGSTEELINTHISPAPER,THEFIRSTCHINESECARCOMPANYPROVIDES50CRMNVASTEELFORTHESTUDY,INFORMASTORFIIAUTOMATICINSTRUMENTFORTHEEXPANSIONPHASECHANGEONASTATICTHERMALSIMULATIONEXPERIMENTWITHDIFFERENTCOOLINGRATES,THEUSEOFTHERMALEXPANSIONOFTHELAWANDOBSERVETHEMICROSTRUCTUREANDHARDNESSMEASUREMENTSWEARSCOMBINEDMEANSOFUSINGSOFTWARETODRAWTHEEXPERIMENTALSTEELORGINSTATICCONTINUOUSCOOLINGTRANSFORMATIONCURVE,NAMELYSTATICCCTCURVESOFSTEELINSTATICEXPERIMENTSSTUDIEDTHECONTINUOUSCOOLINGTRANSFORMATIONPROCESSOFMICROSTRUCTUREEVOLUTIONTHERESULTSSHOWTHAT1CCTCURVEOFTHESTEELHIGHTEMPERATUREPHASETRANSITIONREGIONINCLUDINGTHETRANSITIONREGION,THETEMPERATUREINTHETRANSITIONREGIONANDLOWTRANSITIONREGIONINTOTHREEPARTSMAINLYTRANSFORMATIONPRODUCTSOFFERRITE,PEARLITE,BAINITEANDMARTENSITEANDWITHTHEINCREASEOFCOOLINGRATE,CHANGINGTHESTARTINGTEMPERATUREOFFERRITE,PEARLITEANDBAINITEAREREDUCED2TRANSFORMATIONPRODUCTSWITHACHANGEDCOOLINGRATEISCHANGEDWHENTHECOOLINGRATEISLESSTHAN025/S,THESTEELPHASETRANSFORMATIONEXPERIMENTSORGANIZATIONVERYSMALLAMOUNTOFPEARLITEANDFERRITEAT05/SCOOLINGRATE,THEMICROSTRUCTUREOFPEARLITE,BAINITE,ANDVERYSMALLAMOUNTSOFFERRITEWHENTHECOOLINGRATEREACHES075/S,PHASECHANGEPEARLITEANDBAINITEWHENTHECOOLINGRATEOF12/S,PHASECHANGEBAINITEANDMARTENSITEWHENTHECOOLINGRATEEXCEEDS5/S,ORGANIZEDASASINGLEVARIABLEPHASEMARTENSITE3WITHTHEINCREASEOFCOOLINGRATE,THEPHASETRANSITIONFROMTHESTEELTISSUEEXPERIMENTSFERRITEANDPEARLITE,PEARLITEANDBAINITEGRADUALTRANSITIONTOTHEFINALPHASEFORTHESINGLEMARTENSITE,WHILEVICKERSHARDNESSGRADUALLYINCREASEDFROMTHEVALUEGRADUALLYINCREASEDFROM295TO728KEYWORDSSPRINGSTEELSTATICCONTINUOUSCOOLINGTRANSFORMATIONTHERMALSIMULATIONMICROSTRUCTURE目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111弹簧钢的发展史1111国外弹簧钢的发展历程1112国内弹簧钢的发展历程312弹簧钢的生产工艺413弹簧钢的分类514钢的连续冷却相变6141珠光体转变6142马氏体转变8143贝氏体转变915连续冷却转变曲线与热模拟试验技术11151连续冷却相变曲线的建立与分析11152热模拟试验技术1216本课题的研究目的、内容和意义13第2章研究方法1421实验材料与方法15211实验材料15212实验方法1522实验设备及原理17221实验设备17222实验原理18第3章实验结果与分析2031实验钢的静态连续冷却转变（CCT）曲线2032显微组织2133实验钢的维氏硬度2234冷却速度对实验钢的显微组织和硬度的影响23第4章结论24参考文献25致谢2650CRMNVA钢静态连续冷却相变转变行为研究第1章绪论11弹簧钢的发展史111国外弹簧钢的发展历程国外合金弹簧钢生产起步较早，在生产设备、新工艺、新技术研究、产品质量控制等方面均比国内先进，如粗钢供应均采用大电炉或高炉转炉流程，在用电炉做初炼炉时，对所用废钢进行精选，从而保证粗钢中的参与元素处于较低的水平；对电炉采用喷粉脱磷的无渣出钢技术；转炉钢进行真空除渣，以降低磷含量和防止氧化渣进入精炼炉；在LF精练的基础上采用RH真空脱气工艺；连铸坯断面尺寸普遍大于国内特钢厂，通过大的压缩比来改善或消除由铸造造成的部分缺陷，采用多级电磁搅拌，减少连续性偏析与锻造缺陷；采用轻压下、大直径辊强压下和连续锻压等液相穴压下技术减少偏析；在精整热处理方面，具有完善的精整热处理转杯和质量保证体系。提高弹簧设计应力、减轻弹簧重量是弹簧的发展方向。影响弹簧钢设计应力的两个主要因素是抗疲劳性能和抗弹减性能，新一代超高强度弹簧钢具有以下特征超高强度；超高疲劳强度和耐腐蚀疲劳性能；优良的抗弹减性能；良好的经济性。目前国外轿车螺旋悬挂弹簧已开始普遍采用设计应力为110120KGF/MM2的新一代弹簧钢。这种弹簧钢将是今后汽车用弹簧钢的主流1。美国弹簧钢的种类较多，经常使用的钢号是9260、9254、6150、5160，尤以5160H和9260应用最广。许多年来5160是美国螺旋悬架弹簧钢的主要钢种，当对抗弹减性能要求较高时，选用了9260钢。人们早已知道抗弹减性能与钢中的硅含量成正比，然而硅促进铁素体的形成脱碳。出于这样的考虑，开发应用了9259钢，其硅含量中等，具有良好的抗弹减性能。目前9259弹簧钢是北美的主要螺旋悬架弹簧钢。由于9254钢比9259钢的硅含量高，可提供更好的抗弹减性能，北美油回火钢丝工业多年未采用9254钢生产所有的冷卷弹簧，日本同样采用9254钢生产热卷悬架弹簧。9254钢在北美和日本的用量正在逐步增大。任何一个螺旋悬架弹簧都要经历淬火和回火处理而得到马氏体组织，硬度一般在HRC4851范围内。弹簧在工作状态时承受剪切应力，弹簧表面的工作应力最大，从而对表面的缺陷十分敏感。弹簧表面经喷丸处理后得到压应力，这样表面的压应力最大，从而内部缺陷成为断裂的根源。钢的疲劳强度随着强度的增高而增大，但是当钢的强度达到一定时，疲劳强度与强度的直线关系存在与否取决于钢中夹杂物的存在。此时夹杂物的存在将降低钢的疲劳强度，因此控制钢中夹杂物的组成、形态和分布成为高强度弹簧钢生产的重点2。从汽车减重出发，在过去的十年中，美国数个公司独立研究开发了微合金超高强度弹簧钢。与上述的目前常用弹簧钢相比，微合金超高强度弹簧钢的抗拉强度可达2000MPA，同时疲劳寿命和抗弹减性能保持不变或更好。结果是在成本提高不多的前提下，获得了减重和节省空间的效果。微合金超高强度弹簧钢的目标是在正常的热卷冷卷工艺下满足下列要求1、硬度为HRC5255时具有良好的塑性；2、较目前的钢种有更好的疲劳性能；3、较目前的钢种有更好的抗弹减性能。研究开发微合金超高强度弹簧钢的思路有两种一是在现在的9259钢或9254钢中添加微合金元素，如92V54钢；另一各是借鉴航空用超高强度钢的经验，将碳含量降低并添加钒和铌，如92V45钢。微合金超高强度弹簧钢与基础的9259钢相比，减轻弹簧重量达16。在新钢种开发中，除了应重视耐疲劳性能，抗弹减性能和淬透性，还应重视耐蚀性能。在冬季，寒冷地区常采用撒盐去除公路上的积雪。这种雪水喷浅到悬架弹簧上，使悬架弹簧表面出现腐蚀坑和裂纹，在应力作用下会导致腐蚀疲劳破坏。因而应重视这些地区使用的悬架弹簧的表面腐蚀问题，特别要提高弹簧钢的耐腐蚀疲劳性能。国外现有弹簧钢钢号比较齐全，力学性能、淬透性和疲劳性能等基本上可以满足目前的生产和使用要求。在日本弹簧钢总产量中，SIMN系SUP6、SUP7）和MNCR系SUP9、SUP9A的产量约占80以上，它们几乎各占总产量的50和40。目前，国外除开发新钢种满足提高的性能指标外，注意力正集中在如何充分发挥现有弹簧钢的潜力上，如改进生产工艺、采用新技术、对成分进行某些调整等，进一步提高其性能，扩大应用范围。112国内弹簧钢的发展历程中国的弹簧钢在20世纪50年代曾参照前苏联的弹簧钢牌号，主要为SIMN系弹簧钢存在淬透性低的缺点，随着国民经济的快速发展，已不能满足中国工业发展的需要，后经1977年、1984年两次修订，删除了一些无用的牌号，增加了高淬透性CRMN系弹簧钢8。目前生产使用并列入GB/T12222007中的弹簧钢有15个钢种。中国弹簧钢生产经过50多年的发展，从无到有，不断发展壮大，取得了很大的进步9。上海五钢、太钢、兴澄特钢、东北特钢等企业近年来新建或改造完善了几条先进的弹簧钢生产线，采用“电炉初炼LF精炼炉VD真空脱气连铸连轧”的工艺生产各种牌号的合金弹簧钢，使弹簧钢的生产技术水平有了较大的进展。另外一些企业也表现出强劲的发展势头，比如江苏沙钢淮钢特钢、莱芜特钢、石钢等。尤其是淮钢特钢公司的铁道压簧、扣件用弹簧钢市场占有率在80。经过很多年的研究，研究出了很多合金弹簧钢，如50CRMNVA、60SI2MN、50CRVA、30W4CR2VA等3，但也有一些弹簧钢生产企业钢产量逐渐萎缩，竞争力越来越弱，其主要原因由以下几个方面（1）弹簧钢产品质量和价格缺乏市场竞争力；（2）产品专业化程度低，品种结构不合理；（3）弹簧钢的生产工艺和技术装备落后；（4）先进弹簧钢技术的研究和开发力量薄弱。宝钢经过很多年的发展，也研究出了自己的生产流程，具有了强化精练操作，采用结晶器电磁搅拌，改进脱氧工艺，合理控制连铸坯拉速和中间包钢水过热度、控制轧制等一些特点，它们生产的弹簧钢具有钢制纯净、偏析量小，脱层碳浅，表面质量优良的特点，在国际上都尚处于领先地位。同时江苏淮钢山东青钢江苏南钢都有属于自己的生产流程，它们都说明中国在弹簧钢技术的不断追求。12弹簧钢的生产工艺弹簧钢比较难于连铸，由于碳含量高，钢中碳和杂质元素磷、硫的宏观偏析比较严重，铸坯的凝固收缩率高，因而造成很大的中心缩孔。此外，钢中的AL很容易与氧反应生成AL2O3，沉积在水口壁堵塞水口，在浇铸时堵塞水口现象比较严重。国内、外钢厂冶炼弹簧钢通过控制非金属夹杂物形态、降低磷和硫含量，提高钢的纯净度，得到高质量的终点钢水。精炼过程中应控制精炼时间，采取控白渣及吹AR搅拌等操作防止钢水二次氧化。为实现弹簧钢的连铸，在连铸过程中有必要深入研究钢水过热度、拉坯速度和F段电磁搅拌强度等工艺参数的合理配合，以减轻或基本上消除中心偏析，采用全保护浇注、钢水控温、加双层覆盖剂、稳定拉速、二次冷却水制度、中间包涂料控制等措施，以获得高质量的弹簧钢钢坯。弹簧钢的连铸具有一系列优点，以连铸代替模铸是弹簧钢的又一发展趋势。其优点是弹簧钢连铸过程中通过电磁搅拌、低温铸造等，大大减少钢的成分偏析，提高钢质均匀性，减少钢液的二次氧化，改善钢的表面脱碳，连铸钢的组织和性能均匀、稳定，明显优于模铸钢而且金属收得率高，生产效率高，此外连铸与炉外精炼技术相配合，可以很容易地以低的成本将氧质量分数降到比较低的水平，并有效地控制碳及合金元素的含量。弹簧钢的技术发展是弹簧钢设计应力等性能不断提升的过程。国内产品在质量上与日本、韩国同类产品相比还有差距，但因价格相对较低，已为相关企业提供制造微型汽车悬架弹簧、面包车悬架弹簧、摩托车减震弹簧等线材。国内主要合金弹簧线材的生产企业为宝钢、首钢特钢、大连钢厂、上海五钢等企业，宝钢高线厂弹簧钢线材有55SICR，50CRV，60SI2MNA等，其中55SICR已经在国内知名轿车上使用。亚共析弹簧钢轧制分为高温轧制、常规轧制和热机械变形轧制即控制轧制。弹簧钢的轧制大都采用控制轧制，轧制时使用气氛和压力可调的步进式加热炉，严格控制加热温度和均热时间，以减少加热对总脱碳厚度的影响采用先进的高速无扭轧机进行轧制，尽可能设计孔型辊缝最小，并让自由表面最小采用轧辊孔型设计，轧辊研磨的计算机辅助设计和制造技术，以及闭环张力控制保证轧件的尺寸公差和断面形状采用在线修整和检测技术，以保证表面质量，避免出现表面缺陷。例如，瑞典SKF公司通过杂散磁通技术在线检查钢坯，使用一种专门添加剂研磨技术局部修磨钢锭表面，在严格控制的加热气氛下加热圆形断面钢坯，优化轧机技术及轧辊孔型设计，开发出新的轧辊孔型设计，在后续道次中为卵形配合，从而达到最佳的表面质量。开发变截面钢板弹簧和锥形棒材弹簧。生产变截面钢板的方法有切削、锻造和轧制等方法。从生产效率和成本等方面考虑，轧制法生产变截面钢板较好。变截面钢板弹簧的应用可使弹簧质量减轻4050。使用锥形油淬火棒材可解决后悬架负荷变化率大的问题。13弹簧钢的分类根据GB/T13304标准，弹簧钢按照其化学成分分为非合金弹簧钢碳素弹簧钢和合金弹簧钢。1碳素弹簧钢碳素弹簧钢的碳含量质量分数一般在062090。按照其锰含量又分为一般锰含量质量分数050080如65、70、85和较高锰含量质量分数090120，如65MN两类。2合金弹簧钢合金弹簧钢是在碳素钢的基础上，通过适当加入一种或几种合金元素来提高钢的力学性能、淬透性和其他性能，以满足制造各种弹簧所需性能的钢。合金弹簧钢的基本组成系列有，硅锰弹簧钢、硅铬弹簧钢、铬锰弹簧钢、铬钒弹簧钢、钨铬钒弹簧钢等。在这些系列的基础上，有一些牌号为了提高其某些方面的性能而加入了钼、钒或硼等合金元素。根据生产加工分类，又可分为热轧钢材和冷轧钢材。热轧锻钢材包括热轧轧圆钢、方钢、扁钢、钢板，锻制圆钢、方钢；冷拉轧钢材包括钢丝、钢带、冷拉材冷拉圆钢。除以上所述外，还有一些其他分类方法，例如按交货条件要求不同可分为按化学成分力学性能交货和按淬透性交货。按弹簧工作条件可分为承受静载荷弹簧钢、承受冲击载荷弹簧钢、耐高低温弹簧和耐腐蚀弹簧钢等。14钢的连续冷却相变钢的冷却转变比加热转变要复杂得多，它并不都是一个平衡转变的过程，即不能完全根据铁碳相图来判定。钢件在室温时的力学性能不仅与加热时奥氏体晶粒大小、化学成分均匀程度有关。而且在很大程度上取决于冷却时转变产物的类型和组织形态。冷却方式和冷却速度对奥氏体转变有很大的影响，所以冷却过程是热处理的关键工序，它决定着钢件热处理后的组织与性能。因此，研究不同冷却条件下钢中奥氏体组织的转变规律，对于正确制定钢的热处理冷却加工艺、控制热处理后的组织与性能具有重要意义。141珠光体转变珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较高的温度范围内进行的转变，珠光体转变是由含077C的奥氏体分解为碳含量很高的渗碳体和碳含量很低的铁素体，转变中同时完成了原子扩散和点阵重构两个过程，珠光体转变可分为形核和长大两个阶段，形核与生长当过冷度不很大时，珠光体核一般在奥氏体晶界上形成，也可在奥氏体晶界处的先共析相上形核，通过纵向或者横向长大。珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相得机械混合物的相变过程，因此，珠光体是铁素体和渗碳体的混合物。由于相变在较高的温度下进行，铁、碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散型相变。由于转变温度、过冷度等其他因素影响，珠光体转变会形成片层间距不同的珠光体，在光学显微镜可以分辨的，片层间距为（02519M），称为珠光体；在光学显微镜下无法分辨的（片层间距为3080NM），称为屈氏体或者极细珠光体；片层间距在上述两者之间的，称为索氏体或细珠光体。根据渗碳体的形态不同，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体。（1）粒状珠光体由铁素体和粒状碳化物组成，它由过共析钢经球化退火或马氏体在650A1温度范围内回火形成。其特征是碳化物成颗粒状分布在铁素体上。（2）片状珠光体层片状珠光体是一种双相结构的组织，是一层铁素体和一层渗碳体的混合物。它是由高温奥氏体冷却到723共析反应后所得到的产物，含碳量为077。片状珠光体的力学性能主要取决于片间距和珠光体团的直径。珠光体团的直径和片间距越小，钢的强度和硬度越高4。片状珠光体是渗碳体（碳化物）和铁素体呈片状想建个排列，粒状珠光体是铁素体在基体上分布着碳化物颗粒。片状珠光体有较高的强度，塑韧性偏低。片层间距越小，其强度、硬度越高，同时塑性和韧性也可得到适当改善；而粒状珠光体，取决于粒状渗碳体的大小。形态和分布。其具有较高的强度，较好的切削加工性能（塑韧性好）及淬火工艺性能，颗粒越细，强度越高，颗粒越均匀，韧性越好。在硬度相同的情况下，粒状珠光体的拉伸性能比片状珠光体的好。并且，片状珠光体是通过钢的退火和正火获得，而粒状珠光体是通过球化退火或者是淬火加回火方式获得5。142马氏体转变非平衡条件下，金属和合金中发生的非扩散的晶型转变。是固态一级相变的一种基本类型。产物称为马氏体，通常具有板、片状的外形。基本特征马氏体转变的主要特征为1宏观形状效应。不但有体积变化，而且有形状变化。如图2所示，在母相的自由表平面上，转变成马氏体的那块面积发生一定角度的倾斜，并仍保持为平面。由此带动邻近的母相呈山峰状凸起另一侧下凹，原始态表面的直线刻痕转入新相后仍为直线，在界面处不断开，保持连续。2非扩散。生成相与母相成分相同，以共格或半共格界面为生长相界面，故不存在相界面迁移的热激活机制。形核率和长大速度皆与扩散型转变的热动力学处理结果显著不符。3惯习现象。生成相的片、板的空间取向不是任意的，而是平行于母相的某个晶面称为惯习面。作为母相的一个原子面，惯习面在相变过程中既不畸变，也不转动，是不变平面。图3是对图2的局部作进一步标注，AB曲面发生转动，面积也有变化；但AB线段长度不变，方向也不变。作为母相的一个原子面，ABCD在相变过程中既无畸变，又不转动，连位置都没有变化称中脊面。ABCD和ABCD两面仅有平移，无畸变及转动。惯习面是母相中与ABCD同族的晶面，马氏体片只能在这族晶面的空间方位产生。研究表明，钢中马氏体的形态多种多样，但就其单元的形态及亚结构的特点来看，最主要的是板条状和片状马氏体，其余尚有蝶状、薄板状及六方马氏体等几类。（1）板条状马氏体板条状马氏体是在低、中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢、FENI合金中形成的一种典型的马氏体组织，其特征是每个单元的形状呈窄而细长的板条，并且许多板条总是成群地、相互平行的连在一起，故称为板条状马氏体，又因这种马氏体的亚结构主要是位错，其位错密度为（0309）1012CM2，故也称为位错马氏体。（2）片状马氏体片状马氏体是在中、高碳（合金）钢及FENI（大于29）合金中形成的一种典型的马氏体组织，其特征是相邻的马氏体片一般互不平行，而是呈一定的交角排列，它的空间形态呈双凸透镜片状、故简称为片状马氏体，由于它与试样磨面相截而往往呈现为针状或竹叶状，故也称为针状或者竹叶状马氏体，又由于这种马氏体的亚结构主要为孪晶，故还有孪晶马氏体之称。马氏体具有很高的硬度，其硬度主要取决于碳含量，而合金含量的影响较小。位错型（板条状）马氏体具有相当高的强度、硬度和良好的塑性、韧性，既有高的强韧性；而孪晶型（片状）马氏体则强度、硬度很高，塑性、韧性很低。因此通过各，种手段，在保证足够强度、硬度的前提下，尽可能减小孪晶马氏体的数量，是改善强韧性，充分发挥材料潜力的有效途径6,7。143贝氏体转变贝氏体转变时过冷奥氏体在介于珠光体转变和马氏体转变温度区间的一种转变，又简称为中温转变。大体上可把贝氏体描述为由条片状铁素体和碳化物（有时还有残余奥氏体）组成的飞片层状组织，以示与珠光体这种片层状组织相区别。实际上，这一定义仍是不完善的。由于贝氏体中铁素体和碳化物的形态与分布情况多变，使贝氏体显微组织呈现为多种形态。据此，通常可将其分为上贝氏体；下贝氏体；无碳化物贝氏体；粒状贝氏体；反常贝氏体；柱状贝氏体等。其中以上贝氏体、下贝氏体最为常见，粒状贝氏体次之，其余较为少见。现分别简述如下。（1）上贝氏体上贝氏体是在贝氏体转变区较上部的温度范围内形成的。它是由成束的、大体上平行的板条状铁素体和条间的呈粒状的渗碳体所组成的非片层状组织。当其转变量不多时，在光学显微镜下，可以看到成束的条状铁素体自晶界向晶内生长，形似羽毛，故有羽毛状贝氏体之称，此时无法分辨其条间的渗碳体。但在电子显微镜下，可较为清晰地看到上贝氏体中的铁素体和渗碳体的形态。（2）下贝氏体下贝氏体是在贝氏体转变区下部温度范围内形成的，它也是由铁素体和碳化物构成的复相组织，在低碳钢中，这种被尸体铁素体的形态通常呈板条状，若干个平行排列的板条便构成艺术，与板条状马氏体很相似，在高碳钢中，贝氏体铁素体则往往呈片状，各个片之间互成一定的交角，与片状马氏体很相似。而在中碳钢中，则两种形态的贝氏体铁素体兼有之。（3）无碳化物贝氏体无碳化物贝氏体由板条铁素体束及未转变的奥氏体组成，在铁素体之间为定富碳的奥氏体，铁素体与奥氏体内均无碳化物析出，故称为无碳化物贝氏体，是贝氏体的一种特殊形态。在贝氏体转变的最高温度范围内形成。（4）粒状贝氏体低、中碳合金钢在正火后、热轧空冷后或在焊缝热影响区中由于连续冷却会得到粒状贝氏体组织。一些低合金高强度钢在等温冷却处理时也可以得到粒状贝氏体组织，但其等温温度必须稍高于上贝氏体的形成温度而又低于珠光体转变温度。粒状贝氏体研究不多且比较晚。开始时定义粒状贝氏体是由较粗大的块状等轴状的铁素体加富碳奥氏体区组成其中的奥氏体区一般呈颗粒状，故此得名为粒状贝氏体。（5）反常贝氏体这类贝氏体出现在过共析钢中，形成温度在350稍上，以渗碳体为领先相。（6）柱状贝氏体柱状贝氏体一般在高碳钢或高合金钢的贝氏体转变区的较低温度内形成，但在高压下，在中碳钢中也可形成。有人认为，从各类贝氏体的形态特征来看，无碳化物贝氏体、粒状贝氏体、反常贝氏体等应归属于上贝氏体的范畴，即它们都是陕北实体的变态，而柱状贝氏体则可归属于下贝氏体的范畴。按照这种观点，贝氏体只有上、下贝氏体俩大类之分8。15连续冷却转变曲线与热模拟试验技术151连续冷却相变曲线的建立与分析钢的热处理基本上由加热和冷却两个阶段组成，钢在冷却时发生的组织转变，既可在某一恒定温度下进行，也可以在连续冷却过程中进行，随着冷却条件不同，奥氏体可在A1以下不同的温度发生转变。如果转变在很温下进行，则有过冷奥氏体等问转变图，又称IT图，如果转变在连续冷却过程中进行，则有过冷奥氏体冷却转变过程图，又称CCT图，本文主要研究连续冷却。连续钢连续冷却转变CONTINUOUSCOOLINGTRANSFORMATION曲线图，简称CCT曲线，系统地表示冷却速度对钢的相变开始点、相变进行速度和组织的影响情况。钢的一般热处理、形变热处理、热轧以及焊接等生产工艺，均是在连续冷却的状态下发生相变的。因此CCT曲线与实际生产条件相当近似，所以它是制定工艺时的有用参考资料。根据连续冷却转变曲线，可以选择最适当的工艺规范，从而得到恰好的组织，达到提高强度和塑性以及防止焊接裂纹的产生等。连续冷却转变曲线测定方法有多种，有金相法、膨胀法、磁性法、热分析法、末端淬火法等。除了最基本的金相法外，其他方法均需要用金相法进行验证。用热模拟机可以测出不同冷速下试样的膨胀曲线。发生组织转变时，冷却曲线偏离纯冷线性收缩，曲线出现拐折，拐折的起点和终点所对应转变的温度分别是相变开始点及终止点。将各个冷速下的开始温度、结束温度和相转变量等数据综合绘在“温度时间对数”的坐标中，即得到钢的连续冷却曲线图9。图1140CRMOA钢CCT曲线动态热力学模拟试验机GLEEBLE2000测定材料高温性能的原理如下用主机中的变压器对被测定试样通电流，通过试样本身的电阻热加热试样，使其按设定的加热速度加热到测试温度。保温一定时间后，以一定的冷却速度进行冷却。在加热、保温和冷却过程中用径向膨胀仪测量均温区的径向位移量（即膨胀量），绘制膨胀量温度曲线如图12所示，测试不同冷却速度下试样的膨胀量温度曲线。根据膨胀量温度曲线确定不同冷却速度下的相转变开始点和结束点，即可绘制CCT曲线10,11。图1240CRMOA钢冷却时的膨胀曲线152热模拟试验技术热模拟技术分为物理模拟和数值模拟12。物理模拟是通过实验室物理实验模拟真实物理过程的方法。将实际地形物理的缩小模型置于实验体（如风洞、水槽等）内，在满足基本相似条件（包括几何、运动、热力、动力和边界条件相似）的基础上，模拟真实过程的主要特征，如空气动力规律和扩散规律。数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，利用一组控制方程（代数或微分方程）来描述一个过程的基本参数的变化关系，采用数值方法求解，已获得该过程（或一个过程的某一方面）的定量认识。在实验中，一般只能获得有限点上的测量值。物理模拟的结果一般不能用外推法，而且模拟的准确性及普遍性依赖于必要的测量手段和模拟的相似条件，这对于复杂的热加工工艺有时很难实现。而数值模拟能提供整个计算域内所有有关变量完整而详尽的数据，因此，热加工中很多过去难以用物理模拟机分析方法求解的非线性问题可以在计算机上涌数值方法获得定量结果14。物理模拟技术的发展与物理模拟试验装置的不断完善紧密相关。随着物理模拟技术水平的提高，不同功能的热/力模拟试验装置不断研制开发。目前，在冶金领域中得到广泛应用的是日本富士电波株式会社出品的FORMASTORF全自动相变测量装置，用于测量不同种类金属材料奥氏体转变产物及转变量与温度和时间的关系；测量钢奥氏体化后不同冷却速度的转变类型及转变开始和终了温度。FORMASTORF全自动相变测定装置由高频感应加热和高压气体喷射冷却系统组成，能同时控制调节加热能力和冷却气体流量，从而在很宽的温度范围内以任意速度加热、冷却并可以在一确定温度无限保温，控制系统由计算机硬件和软件组成。通过“WINDOWS”控制系统可实现试验、数据采集、图形绘制、测量仪表操作和测量结果数据汇总的集成处理15。16本课题的研究目的、内容和意义在机械零件的制造方面，弹簧钢因具有很好的综合机械性能而得到了广泛的应用，尤其是50CRMNVA钢。它具有较高的强度、塑性，焊接性差、可切削性尚可，淬透性比硅锰或硅铬弹簧钢好，油中临界高，脱碳倾向比硅锰钢低，回火脆性倾向较大，一般在淬火并中温回火状态下使用。该钢在制造汽车，拖拉机等工业上发挥了很大的作用，因此，开发出具有优良综合力学性能的该类型的弹簧钢具有十分重要的现实意义。本课题以中国第一汽车公司提供的50CRMNVA钢为研究对象为实验原料，利用FORMASTORFII型全自动相变仪对其进行静态连续冷却相变实验，主要研究内容如下150CRMNVA钢静态连续冷却热模拟试验用试样的制取方法；2不同冷却速度下相变组织观察与相变规律分析；3ORIGIN软件的使用以及静态条件下实验钢的CCT曲线的绘制；4实验钢维氏硬度的测定方法与分析。第2章研究方法CCT曲线图，又称为过冷奥氏体的连续冷却转变曲线图，它反映了在连续冷却条件下过冷奥氏体的转变规律，是分析转变产物组织与性能的依据，也是制订热处理工艺的重要参考资料。20世纪50年代以后，由于实验技术的发展，才开始精确地测量许多钢的连续冷却CCT曲线，直接用来解决连续冷却时的转变问题。本文主要研究50CRMNVA钢的静态CCT曲线，分析其连续冷却过程中的显微组织转变规律，为制定该钢种的实际生产工艺提供理论指导。21实验材料与方法211实验材料实验材料为中国第一汽车股份有限公司技术中心提供的50CRMNVA钢，其化学成分见表21。然后在实验钢板上沿轧制方向截取静态热模拟实验用试样，试样尺寸如图21所示。表21实验钢化学成分（质量百分数）CSIMNPSCRNIMOALV0520231000016001211201200500140138图21热模拟试样尺寸示意图212实验方法测定CCT曲线的方法有很多种，例如金相法，膨胀法，磁性法，热分析法，末端淬火等。我们采用的是热膨胀法结合金相硬度法相结合的手段。把50CRMNVA膨胀试样按照阿拉伯数字进行编号以备实验。先将试样用热电偶焊样机把极性不同的两只电偶焊在试样中间凹坑里，然后将试样放入相变仪中，接好热电偶，通过传感器测定实验钢的膨胀量。在真空状态下将试样以20/S速度加热至950并保温10MIN，然后分别以005/S、0075/S、01/S、025/S、05/S、075、1/S、2/S、5/S和10/S的冷却速度冷却到室温，具体实验工艺如图22。并且运用切线法求出个相变点温度，从而绘制出实验钢的静态CCT曲线。该CCT曲线是通过ORGIN软件绘制得到的。ORGIN是在WINDOWS平台下用于数据分析，项目绘图的软件。它的功能强大，在学术研究界有很广泛的应用。其特点是使用简但，采用直观的，图形化的，面向对象的窗口菜单和工具栏操作，全面支持鼠标右键，支持托方式绘图等。ORGIN软件是在图形绘制过程中可以避免手工操作所产生的较大误差的软件，采用ORGIN软件很大程度上降低了人为因素产生的误差。图22CCT曲线的实验方案示意图热模拟实验后将试样沿横向在靠近热电偶焊点处剖开，然后将所得试样经如下步骤以备金相检验所用，步骤如下A试样依次在由粗到细的400、800、1200、1500、2000砂纸上磨平，至磨痕均匀一致。随即，在抛光机上进行抛光（抛光织物为细绒布、抛光液为金刚石抛光膏），抛光到试样上的磨痕完全除去而表面像镜面时为止。然后用酒精洗净，吹风机吹干，收起备用。B抛光后的试样，便可进行浸蚀。浸蚀剂采用4硝酸酒精溶液。试样浸蚀完毕后，须迅速用酒精洗净，然后用吹风机吹干。C浸蚀后便可在ZEISS金相显微镜上进行显微组织观测。22实验设备及原理221实验设备本实验采用线切割机、FORMASTORFII全自动相变仪、焊样机、抛光机、车床、砂轮、锯床、FM700型数字式显微硬度计和ZEISSAXIOCAMMRC5型正置全自动金相显微镜。FORMASTORFII全自动相变仪、显微硬度计和金相显微镜分别如图23、24和图25所示。图23FORMASTORF全自动相变仪图24维氏硬度计图25ZEISS金相显微镜222实验原理测定CCT曲线常用的方法有金相法、热膨胀法和热分析法等。当材料在加热或冷却过程中发生相变时，若高温组织及其转变产物具有不同的比容和膨胀系数，则由于相变引起的体积效应叠加在膨胀曲线上，破坏了膨胀量与温度间的线性关系，从而可以根据热膨胀曲线上所显示的变化点来确定相变温度。这种根据试样长度的变化研究材料内部组织的变化规律的称为热膨胀法（膨胀分析）。长期以来，热膨胀法已成为材料研究中常用的方法之一。通过膨胀曲线分析，可以测定相变温度和相变动力学曲线。钢的密度与热处理所得到的显微组织有关，钢中膨胀系数由大到小的顺序为奥氏体铁素体珠光体上、下贝氏体马氏体；比容则相反，其顺序是马氏体铁素体珠光体奥氏体碳化物（但铬和钒的碳化物比容大于奥氏体。从钢的热膨胀特性可知，当碳钢加热或冷却过程中发生一级相变时，钢的体积将发生突变。过冷奥氏体转变为铁素体、珠光体或马氏体时，钢的体积将膨胀；反之，钢的体积将收缩。冷却速度不同，相变温度不同。通常膨胀法测量CCT曲线的时候，相变点有两种方法1顶点法，2切线法。两种方法各有利弊，顶点法比较好确定相变开始和完成的位置，但与实际值有误差；而切线法数值与实际值比较接近，但是相变起始和完成的点不好确定，人为误差大。图26是两种方法确立相变点的一个图示,其中A、D为切线法，相变开始温度（A点）698度，相变结束温度（D点）523度；B、C为顶点法，相变开始温度（B点）648度，相变结束温度（C点）579度。图26相变点的确定第3章实验结果与分析31实验钢的静态连续冷却转变（CCT）曲线采用热膨胀法与金相硬度法相结合的方法测得50CRMNVA钢在静态连续冷却过程中不同冷却速度条件下各相的转变开始温度和转变终了温度，然后利用ORGIN数据处理软件在温度T时间LGT曲线上分别绘制冷却曲线和转变点，相关转变点连接起来，便形成图31实验钢的静态CCT曲线。图3150CRMNVA钢的静态CCT曲线实验钢的静态CCT曲线上每一条冷却曲线代表着一定的冷却速度，从右向左冷却速度分别为005/S、0075/S、01/S、025/S、05/S、075/S、1/S、2/S、5/S和10/S。由图看出，50CRMNVA钢从奥氏体以不同冷却速度冷却到室温时，存在三种不同类型的相变高温转变区，奥氏体（A）向铁素体F和珠光体P的转变；中温转变区，奥氏体（A）向贝氏体B的转变；低温转变区，奥氏体（A）向马氏体（M）转变。同时还可以看出，随着冷却速度的增加，铁素体、珠光体和贝氏体转变开始温度都降低。当冷却速度小于025/S时，奥氏体中同时析出铁素体和珠光体；当冷却速度025/S05/S时，奥氏体相变为铁素体珠光体贝氏体；当冷却速度在05/S075/S时，奥氏体中析出珠光体和贝氏体；随着冷速进一步增大到2/S时，奥氏体发生贝氏体转变和马氏体转变；而当冷速增加到5/S以上时，相变组织为单相马氏体组织。32显微组织金相试样经研磨、抛光后用4硝酸酒精溶液腐蚀，在实验室ZEISS型金相显微镜上对实验钢进行显微组织观察。图32分别为实验钢在不同冷却速度下的金相显微组织。由图32可以看出，在实验设定的冷却速度范围内实验钢的显微组织基本由铁素体F、珠光体P、贝氏体B和马氏体M组成。ABCDEFGHIJ图32实验钢不同冷却速度下的显微组织照片A005/SB0075/SC011/SD025/SE05/SF075/SG1/SH2/SI5/SJ10/SC33实验钢的维氏硬度表31为实验钢对应不同冷却速度下的显微组织和维氏硬度值，由表看出，随着冷却速度的增大，相变组织逐渐由高温相变产物铁素体珠光体过渡到中温转变产物贝氏体组织，最后为单相的马氏体组织，与此同时，其硬度显著升高，维氏硬度数值逐渐由295升高到728。表31实验钢不同冷速下的显微组织和硬度34冷却速度对实验钢的显微组织和硬度的影响结合实验钢的静态CCT曲线、显微组织和维氏硬度结果可以看出，实验钢在连续冷却过程中相变组织中先后出现铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体。冷却速度的提高使奥氏体向铁素体、珠光体和贝氏体转变的开始转变温度降低。对应显微组织看出，在005025/S冷却速率范围内，实验钢的相变组织为珠光体和极少量的铁素体。在05/S冷却速率下，显微组织为珠光体、贝氏体和极少量的铁素体。当冷却速率达到075/S时，相变组织为珠光体和贝氏体。当冷却速率进一步增加到12/S冷却速率范围内时，相变组织为贝氏体和马氏体。当冷却速度达到5/S以冷速/S显微组织成分维氏硬度HV005铁素体珠光体2950075铁素体珠光体29901铁素体珠光体307025铁素体珠光体35905珠光体贝氏体少量铁素体363075珠光体贝氏体3861贝氏体马氏体4712贝氏体马氏体5245马氏体69710马氏体728上时，相变组织为单一的马氏体组织。随着冷却速度的增加，实验