龙松朋，周旭东，王云飞

(1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471023;2.中国一拖集团有限公司锻造厂，河南洛阳471004)

0 引言

42CrMoA钢在高温时有高的持久强度，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，因此得到了广泛的应用[1-3］。钢的过冷奥氏体连续冷却相转变曲线(CCT曲线)是分析热处理组织和性能变化的重要依据，而标明各冷却规范下的组织相对含量，使CCT曲线能更确切地应用于组织分析，可以更好地挖掘常温下其潜在性能。通过查阅相关文献发现:42CrMoA钢CCT曲线测定过程中的组织定量问题一直没有得到解决[4-10］。本文通过温度-膨胀量曲线杠杆法[5］，计算了转变后产物各相组织的体积分数，并用硬度和金相微观组织照片进行了验证。

1 试验材料及方法

试验所用42CrMoA钢为热轧后的圆钢，后经线切割从圆钢横截面1/3处周向取样加工成φ6 mm×12 mm的试样［6］，其化学成分为:w(C)=0.410%，w(Si)=0.260%，w(Mn)=0.800%，w(P)=0.009%，w(S)=0.002%，w(Cr)=1.100%，w(Ni)=0.020%，w(Cu)=0.020%，w(Mo)=0.221%，其余为Fe。在Gleeble-1500D热模拟机上，在真空条件下，将试样以20℃/s快速升温到900℃，保温8 min后，以不同的冷却速度进行冷却，测定其相应的温度-膨胀量曲线，并用杠杆法计算各相的相对含量。然后将不同冷速下的试样用线切割从中部横向切开取样［7］，经打磨、抛光、4%硝酸乙醇溶液腐蚀［8］，采用日产OLYMPUS PMG3型倒置式光学金相显微镜进行金相微观组织形貌分析，在电动洛氏硬度计HRD-150上面进行洛氏硬度(HRC)的测定。

2 试验结果与分析

2.1 转变产物组织相对含量的测定

在不同冷速(0.1～50.0℃/s)下测得膨胀量数据，用计算机软件OriginPro将其绘成温度-膨胀量关系曲线图(见图1)，由此曲线图结合切线法[9］来确定不同冷速下相变起止点(图1中，斜虚线为切线，B、D、F、H点即为用切线法找到的相变起止点)，在相变点处用杠杆法来计算转变后的组织相对含量[5］。

钢铁在发生相变时，不同相变组织的比容不同，所以当钢铁试样加热或冷却时，试样直径的变化可以通过△L=△LV+△LO计算而得，式中，△L为试样总膨胀量变化(加热或冷却时);△LV为相变组织体积效应引起的试样长度变化;△LO为其他因素引起的试样长度改变(主要为试样的热胀冷缩引起的试样长度变化)。

为使分析简化，假定膨胀因数为常数α，则α·△T(△T为温度的变化值)可以近似表示△LO(即△LO=α·△T)，若此时没有发生相变(即△LV=0)，则总膨胀量随温度呈线性变化(即此时△L=α·△T)，得出来的曲线应该是直线;但当相变发生时，就破坏了这种线性关系。因此，可根据试样总膨胀量变化来计算相变组织体积效应，从而来估算相变组织的相对含量。

温度-膨胀量关系曲线如图1所示，A、C、E、G为过相变点和横轴垂直直线与温度 -膨胀量曲线的交点，a、b分别为加热和冷却时的温度 -膨胀量关系曲线，BB'为用切线法做出的切线，B'为其与CD的交点。在高温处由于加热和冷却会发生相变(加热时，铁素体和珠光体向奥氏体转变;冷却时，奥氏体向铁素体转变)，当过冷奥氏体从高温冷却下来，a、b两条线发生了分离，AB的长度为由于相变而发生的总膨胀量。当继续冷却，由于在B点发生相变，原本在tB'(B'的温度)对应的B'点却出现在D点位置，则在D点相变组织的相对含量为DB'/CB'，即为(CB'-CD)/CB'。若在此不发生相变，a、b两条线从高温冷却下来应保持平行(因为膨胀因数都为假定的常数α)，故在此AB与CB'应近似相等，所以得到在D点相变组织的相对含量为(AB-CD)/AB(由于冷却速度相对较小，奥氏体可以完全发生转变，不考虑有残余奥氏体)，同理可以得到中低温转变产物含量分别为(CD-EF)/AB和(EF-GH)/AB，具体计算结果如表1所示。表1中，F为铁素体，P为珠光体，B为贝氏体，M为马氏体。

图1 温度－膨胀量关系曲线及杠杆法测相对组织含量

表1 冷速及其对应转变产物体积分数和硬度

2.2 硬度测定及金相微观组织照片分析

用洛氏硬度计测得不同冷却速度下HRC值，如表1所示，由表1可以看出:硬度的大体变化趋势是随冷速增大而逐渐升高的[10-11］。

结合转变产物的组织相对含量、相应硬度测试结果及作者先前所测此钢种的CCT曲线(如图2所示)，选取部分冷速下得到的金相微观组织照片进行分析(见图3)。从图3a(冷速为0.1℃/s)中可以看出:有白色呈多边形的铁素体和黑色粗片层状珠光体组织;而图 3b(冷速为0.6℃/s)和图3c(冷却速度为1.0℃/s)中则是羽毛状、任意取向的黑色针状和孤立的小岛状贝氏体组织;图3d(冷速为20.0℃/s)中是板条和竹叶状的马氏体组织[5］。

图2 42CrMoA钢过冷奥氏体连续冷却相转变曲线

从表1可以看出:当冷速为0.1℃/s时，转变产物中全部为铁素体和珠光体;当冷速为0.6℃/s时，转变产物中铁素体和珠光体仅占2%，而贝氏体却占98%;当冷速为1.0℃/s时，转变产物大部分为贝氏体(占91%)，而马氏体占9%;当冷速为20.0℃/s时，转变产物全部为马氏体。从以上分析中可以看出:金相微观组织照片与表1计算的转变产物组织体积分数基本相符。

图3 不同冷速下42CrMoA钢的金相组织

2.3 冷却速度对相对组织含量和硬度的影响

通过以上分析，将表1中的冷却速度、转变产物体积分数和硬度数值，用OriginPro软件做图，得到图4所示的冷却速度对转变产物体积分数和硬度的影响关系曲线。

3 结论

(1)绘制不同冷速下的温度-膨胀量曲线，结合杠杆法计算出转变产物的体积分数，并测定了转变产物的硬度。(2)当冷速不超过0.1℃/s时，铁素体和珠光体体积分数为100%;当冷速为0.6℃/s时，贝氏体含量最高，体积分数为 98%;当冷速为0.7℃/s时，开始出现马氏体，其体积分数为4%;而后，随着冷速的增大，贝氏体相对含量减小，马氏体相对含量逐渐增加;当冷速超过20.0℃/s的，可以获得100%马氏体组织。(3)随着冷却速度的增加，转变产物的硬度逐渐增大。

图4 冷却速度对转变产物体积分数和硬度的影响关系曲线

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