本文研究了0.06%C低合金钢在经过系列盐浴等温热处理后再水淬获得的贝氏体/马氏体组织的力学性能。在盐浴热处理30-330s后，测定了试样的硬度、拉伸性能和韧性。结果表明，与未经盐浴热处理的直接淬火钢相比，所获得的微观组织显著改善冲击韧性（高达187J）和塑性（临界压下率高达71.4%），同时具有高的硬度（239±4HV）和抗拉强度（720-800MPa）。
1引言
含有贝氏体的双相钢（DP）除了成本低外，还具有优异的力学性能。这些钢的组织表现出良好的塑性、韧性和高强度，这些性能已经在汽车工业应用几十年。DP组织可以通过控制热处理方式获得。最常见的铁素体-马氏体DP钢采用这样的工艺获得：先将奥氏体在A1-A3双相区温度区间转变成铁素体，随后通过快冷使残留的奥氏体转变成马氏体。
贝氏体/马氏体钢被广泛研究，但是目前还未见低碳低合金贝氏体/马氏体钢研究的报道。从奥氏体转变成贝氏体的工艺主要集中在生产贝氏体钢和其他结构钢，它们含超过0.1%C和其他合金化元素。在以前对多相钢的研究中，实现这些组织需要长时间热处理，这是由于获得贝氏体/马氏体组织的一般途径是将奥氏体化钢淬火至贝氏体转变区间，保温足够时间后，空冷至室温。为了消除残余应力，促进残余奥氏体转变成贝氏体，需要将试样在贝氏体形成温度区间回火1-2h。根据早期研究结果，在等温的前1min内，奥氏体分解并快速转变成贝氏体，从而为短的等温处理时间后获得的钢性能改善提供支撑。
本研究的目的是研究并寻找一种新型低碳低合金钢热处理方式，利用盐浴等温处理生产出具有高强度、更大总伸长率以及良好韧性的钢材。传统上，这种钢通过热锻后直接淬火工艺生产，但这种处理方式造成微观组织为完全马氏体，尽管具有非常高的强度，但韧性有限。
2试验材料和试验过程
研究用钢采用连铸工艺生产，钢种牌号为Imaf orm（其化学成分见表1），它是专门为汽车工业而开发的，主要用于热锻，尤其是热成形。这种钢具有良好的力学性能、疲劳强度和切削性能。其中一个优势是热锻后不需要回火处理。室温下平均抗拉强度和夏比V型冲击韧性分别在950-1050MPa和60-100J。淬火后硬度（HV）为290-360。试验用Imaf orm钢为直径30mm的锻棒。
棒状试样在1203K（930℃）奥氏体化，随后在773K（500℃）盐浴炉内淬火30s、60s、90s、150s、210s、270s和330s后获得混合组织，随后水淬至室温。盐浴温度是根据该钢的连续转变（CCT）曲线制定的。使用盐浴炉的目的是足够快地达到贝氏体转变温度，从而躲开铁素体和珠光体鼻子尖及发生相应的相变。
为了掌握试验钢的转变动力学，利用Gl eebl e 3800热模拟试验机，采用电阻加热，测定动态CCT曲线。其中，以10℃/s将直径5mm、高5mm试样加热至1373K（1100℃），保温120s。之后，试样以2℃/s的冷速冷却至1273K（1000℃）。在至1273K（1000℃）后，立即以10种不同的冷却速率（0.2-100℃/s）进行连续冷却试验。在冷却过程中，测量膨胀变化，从而确定转变温度点。按照与CCT曲线相等的测试条件测定时
间-温度-转变（TTT）曲线。在经过相等的加热步骤后，从1273K（1000℃）按180℃/s进行加速冷却。为了确定等温转变动力学，在从623-973K（350-700℃）之间9个不同温度点终止冷却。在等温保温过程中，通过膨胀分析测定转变。
拉伸试验所用试样为沙漏形，测量段的圆柱长36mm、直径6mm。拉伸试样及试验过程符合国际标准EN 10002-1。拉伸试验在MTS试验机上进行，拉伸速度0.6mm/min，在室温下将试样拉断。
测定临界压下率的试验用试样高21mm、直径14mm，在室温下进行压缩试验。每次将试样压缩0.5mm，直到肉眼观察到第一根裂纹，此时总的压下率规定为临界压下率。夏比V缺口冲击试样为标准冲击试样，断面10mm×10mm。硬度用维氏硬度计InnovaTest测试，施加载荷10kg。
3结果
3.1 CCT和TTT曲线
试验钢的CCT和TTT曲线分别如图1和图2所示。同时，在TTT曲线图上给出试验过程示意图。Bs/Bf和As/ Af分别代表贝氏体和铁素体转变区间。根据图中所示的贝氏体转变曲线，选择773K（500℃）作为盐浴温度。本研究中，避免发生铁素体和珠光体转变。试验材料的淬透性低，由于在冷却过程中甚至当冷却速率达到180℃/s时也出现贝氏体，因此低于773K（500℃）的部分TTT曲线不确定。此外，由于碳含量低，在光学显微组织照片区分贝氏体和马氏体太不可靠，因此没有计算贝氏体和马氏体体积分数。
3.2硬度
材料硬度与盐浴等温时间的关系如图3所示。甚至当组织中仅存在少量的贝氏体，硬度就下降了27%。不过，延长盐浴保温时间，不会造成硬度降低。在盐浴60s后，硬度保持相对稳定在239±4HV。根据观察结果，对于贝氏体/马氏体钢，提高贝氏体含量，没有发现硬度明显降低。
3.3拉伸性能
对每一个热处理试样都进行了拉伸性能试验，图4为拉伸性能随盐浴处理时间的变化。从图4可以看出，稍微提高贝氏体含量，总伸长率提高，但同时抗拉强度降低。100%马氏体钢的抗拉强度最高，但总伸长率却最低。随着盐浴处理时间的延长，抗拉强度首先降低，最终保持不变。从未经盐浴处理到盐浴处理60s，抗拉强度降低了21%。在盐浴处理270s后，总伸长率达到最大值，比100%马氏体试样高出18%。甚至在经过最短的盐浴处理后，伸长率也提高了10%。
3.4夏比冲击韧性和临界压下率
室温下冲击性能和临界压下率与盐浴等温处理时间的关系曲线如图5所示。临界压下率为试样压下高度与原始高度的比值。从图5可以看出，刚开始，夏比冲击韧性随着盐浴处理时间延长而提高，接着开始下降，随后在150s达到峰值，之后又开始下降。当等温时间延长到150s，夏比冲击韧性达到最大。值得提出的是，当盐浴等温时间进一步延长，则冲击韧性降低。临界压下率的变化遵从类似规律，刚开始随着盐浴处理时间延长而提高，接着开始下降，随后在210s达到最大值71.4%，之后又开始下降。根据试验结果，研究钢在30s、150s、210s和270s盐浴处理后，临界压下率均超过65%。
4讨论
贝氏体/马氏体钢采用在贝氏体转变区盐浴处理的方式生产。等温温度根据图1和图2所示的CCT曲线和TTT曲线进行选择。本研究钢的贝氏体（Bs）和马氏体（Ms）转变开始温度分别在833K（560℃）和753K（480℃）。本研究中选择773K（500℃）作为盐浴处理温度。贝氏体/马氏体组织的生产工艺如下：通过从奥氏体化温度淬火至贝氏体转变温度区间形成贝氏体、随后水淬至室温，使未转变的奥氏体转变成马氏体。室温下也可能存在一定量残余奥氏体。
硬度（HV10）随盐浴保温时间的变化在图3中给出。本研究试验结果与早期研究不同，早期研究认为硬度变化归因于化学成分，特别是碳含量和交互应力的作用。另外，还认为随着处理时间延长和临界
退火温度提高，碳化物在奥氏体中固溶，造成贝氏体/马氏体钢的硬度提高。而交互作用参数反过来受到不同相的不同热膨胀系数的影响。在本研究中，当盐浴处理时间超过30s后，硬度保持恒定不变，说明组织大部分转变成贝氏体。从60s到330s的时间对任何要发生的硬度变化而言都是太短了。
拉伸试验结果表明，未经盐浴处理的试样或盐浴处理30s的试样表现出较高的抗拉强度水平。对那些盐浴处理超过30s的试样，抗拉强度几乎保持不变。强度高是由于组织中存在硬化相马氏体。一些研究认为DP钢的抗拉强度遵守混合规律，不过，其他研究认为抗拉强度与马氏体含量不存在线性关系。
贝氏体/马氏体钢的强度取决于组成相的含量及它们的强度。提高贝氏体体积分数，将对抗拉强度产生两个方面的影响：
1）由于马氏体体积分数降低而造成抗拉强度下降；
2）随着马氏体含量下降，马氏体相中碳含量增加。
根据其他人研究结果，DP钢强度与化学成分、相的形貌和相的尺寸以及相变产生的内应力有关。DP钢表现出连续屈服现象，加工硬化率高，同时屈强比低。本研究钢在超过30s的盐浴处理后，抗拉强度和伸长率曲线的分散可能源于组织为上贝氏体和下贝氏体混合组织。在所采用的盐浴温度下，认为上、下贝氏体都会存在。
异常的夏比V型冲击韧性结果可能由微观层状组织和界面特征来解释。一些试样（60s、150s、210s）没有完全被破坏，说明在冲击试验时吸收更多能量。板条状马氏体/贝氏体组织的低碳钢，其冲击韧性与大角度晶界长度成正比，而与板条束和块的尺寸成反比关系。另一方面，塑性和韧性改善并不是残余奥氏体的结果，而是由于组织中存在细小碳化物颗粒。盐浴处理90s的试样被完全破坏。观察断口，发现一些小的分层，说明界面
之间存在某些错配，比如一些夹杂物沿轧制方向分布，或者在变形的晶粒内出现位错塞积。这可能会引起回火脆性，后者会在400-600℃温度范围内等温处理时发生。对本研究，它是由钢种特定的夹杂物引起的。
除了碳化物析出外，上贝氏体和下贝氏体的存在也可能造成夏比V型冲击韧性不同。下贝氏体组织的韧性高，但是很难控制试样中上贝氏体或下贝氏体含量。同一试样的不同部位可能出现不同的相。例如，样品表面比芯部冷却更快，相变程度更低。
从不同盐浴处理时间后试样的临界压下率结果可以看出，尤其是在150-270s的盐浴处理，含有马氏体的贝氏体组织提高了材料的塑性。变形提高了马氏体形核位置（变形带、位错塞积位置）和贝氏体形核位置（晶界和亚晶界），使钢的塑性更好。
钢的强度-塑性图给出了总伸长率和抗拉强度之间的关系（图6）。试验结果落在相变诱导塑性（TRIP）钢的区域。通常，TRIP钢用于汽车工业，它具有优异的成形性能和高加工硬化率，提高碰撞吸收能量。这些钢通常含0.1%-0.4%C，还有如Mn和Si等其他合金化元素。
TRIP钢的组织由铁素体、贝氏体和亚稳残余奥氏体组成，通过类似于获得贝氏体/马氏体组织的两阶段热处理工艺获得，因此需要长的热处理和冷却时间。
5结论
通过在773K（500℃）系列盐浴处理，研究了含0.06%C低合金钢的力学性能。研究结果表明，与直接淬火不同，在奥氏体化后，盐浴等温处理150-210s，可以提高钢的总伸长率和夏比V型冲击功，同时不会牺牲太多强度或硬度。与直接淬火钢相比，获得的
微观组织显著提高了冲击韧性（高达187J）和塑性（临界压下率高达71.4%），同时具有高的硬度（239±4HV）和抗拉强度（720-800MPa）。盐浴处理后晶粒尺寸在10-20μm。采用热锻后，由于发生再结晶，粗大的铸态组织被破碎，变成细小晶粒，同时，夹杂物以纤维形式重新分布，力学性能将进一步改善。该研究证实了另一种生产汽车用高强度、高塑性钢的加工工艺的可行性。
后续工作将包括将锻模加热至贝氏体转变温度区间，代替盐浴处理，研究额外的加工硬化如何影响钢的力学性能。同时，也将研究在不同的化学成分下，盐浴处理如何影响所获得钢的力学性能；提高C含量，提高硬度；提高Cr、Mn和B含量，提高淬透性，使CCT曲线右移；降低盐浴处理温度，获得更多的下贝氏体组织。 （杨雄飞）