保温温度对硼钢板相变的影响分析

冷却速率2K/s并在不同温度保温时硼钢板的DIL曲线如图4-15所示。当试样在1073K保温时，F_s和F_f分别为984K和868K；试样在1023K保温时，相变在保温阶段开始，893K时完成；当试样在973K、923K和873K保温时，对应的相变开始温度分别是989K、970K和975K。在固定冷却速率的工艺条件下，保温温度是影响相变的一个重要因素。由于铁素体中碳的溶解度明显低于奥氏体，相变时必然存在碳扩散的过程^[62]，并且普遍认为铁素体的生长速度受到碳扩散的影响^[65]。因此，在不同温度保温时，相变的F_s和F_f由于不同温度下碳元素的扩散能力的差异而不同。

冷却速率2K/s时，不同温度时的保温对硼钢板的硬度基本没有影响，硬度均保持在200HV_0.2左右，如图4-16所示。这说明冷却速率为2K/s时，奥氏体向铁素体的转变不受保温温度的影响，如图4-17所示。

图4-15 冷却速率2K/s并在不同温度保温时硼钢板的DIL曲线

图4-16 冷却速率2K/s时不同冷却路径热处理后硼钢板的维氏硬度HV_0.2

冷却速率2K/s时，硼钢板试样在不同温度保温下，铁素体相变的温度范围和相变所需的时间有一定的不同，如图4-18所示。当试样在1023K保温时，相变主要在保温阶段完成，相变过程花费了365s。当试样在973K保温时，相变持续了约80s，而在其他冷却路径下，相变只需约50s。这说明等温条件下的铁素体相变速度明显低于连续降温条件。为了加快实际热冲压生产中铁素体的相变速度，必须保证零件在成形过程中的连续降温条件。

图4-17 冷却速率2K/s时在不同温度下保温后硼钢板的微观组织

a）1073K b）1023K c）973K d）923K e）873K

图4-18 冷却速率2K/s时不同温度保温下硼钢板相变所需的时间

冷却速率50K/s并在不同温度保温（773K、673K、573K、523K和473K）时硼钢板的DIL曲线如图4-19所示。当试样在773K和673K保温时，相变均在保温阶段开始并完成。当试样在573K、523K和473K保温时，相变均在663K左右开始，583K左右结束。根据贝氏体和马氏体相变的温度范围^[66]，当试样在低于573K的温度保温时，可以确定只发生马氏体相变；但当试样在773K和673K保温时，还需要通过硬度和微观组织分析进一步确定发生的相变类型。

图4-19 冷却速率50K/s并在不同温度保温时硼钢板的DIL曲线

相应的硬度和微观组织分别如图4-20和图4-21所示。当试样以50K/s冷却速率降温并在773K保温时发生贝氏体相变；当试样在673K保温时则发生马氏体相变。根据已获得的B_s、B_f、M_s和M_f，保温温度773K更接近B_f，并且在等温条件下贝氏体相变也比马氏体相变更容易发生^[67]；而保温温度为673K时则更接近M_f，因此发生马氏体相变。

图4-20 冷却速率50K/s时不同冷却路径热处理后硼钢板的维氏硬度HV_0.2

图4-21 冷却速率50K/s时在不同温度保温后硼钢板的微观组织

a）773K b）673K

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图4-21 冷却速率50K/s时在不同温度保温后硼钢板的微观组织（续）

c）573K d）523K e）473K

由于极快的冷却速率和较高的相变速度，马氏体相变一般只需1.5s左右，如图4-22所示。马氏体相变是非扩散型的，只能在连续冷却条件下进行。但是当试样以50K/s的冷却速率冷却时，试样外表面降温到保温温度后，内部温度仍高于指定温度。试样内部的热能逐渐传递到外部，造成了一个实际上的降温过程。在673K保温时，试样的实际冷却速率小于50K/s，相变过程花费了约11s。因此在马氏体相变范围内降低冷却速率可以降低马氏体相变的结束温度。试样在773K保温时发生的贝氏体相变持续了约30s，比连续降温阶段发生的贝氏体相变多用了约15s。相类似，较高冷却速率时的铁素体相变速度也快于低冷却速率或等温阶段时的相变速度^[68]。

冷却速率为10K/s时，各种冷却路径下的相变都变得相当复杂，DIL曲线如图4-23所示。热处理后硼钢板的相组成可以通过切线法确定，具体结果见表4-1。当试样在1073K保温时，相变开始和结束温度分别是834K和689K，相变过程持续了约11.5s，根据图4-24和图4-25所示的硬度及微观组织，此过程可以确定为贝氏体相变。相较于连续冷却条件下完成贝氏体相变所需的15s时间，可以发现相变前的保温阶段对贝氏体相变有加速作用。当试样在973K保温时，相变过程973K开始793K结束，获得的相组成为87%F和13%B。相类似，当试样在873K、823K和723K保温时，相组成均为铁素体和贝氏体的混合组织。

图4-22 冷却速率50K/s时不同温度保温下硼钢板相变所需的时间

图4-23 冷却速率10K/s并在不同温度保温时硼钢板的DIL曲线

但是由于873K、823K和723K三个温度更接近贝氏体相变的温度范围，热处理后贝氏体含量相对较高，分别为89%、73%和67%。因此，对铁素体和贝氏体相变来说，在接近或相变温度范围内保温将使得它们更容易生成。

表4-1 不同冷却路径下硼钢板的相组成

图4-24 冷却速率10K/s时不同冷却路径热处理后硼钢板的维氏硬度HV_0.2

对于扩散型相变来说，时间是一个非常关键的因素^[61]。当试样在973K保温时，铁素体有足够的时间来形核和长大，故而使得铁素体成为最终组织中的优势相。当试样在贝氏体相变温度范围保温时，保温前冷却阶段生成的铁素体较少，贝氏体成为最终组织中的优势相。当试样在马氏体相变温度范围保温时，保温前冷却阶段只生成少量的铁素体和贝氏体，而相对低温导致碳原子扩散能力的减弱使得只能发生非扩散型的马氏体相变。

图4-25 冷却速率10K/s时在不同温度保温后硼钢板的微观组织

a）1073K b）973K c）873K d）823K e）723K f）623K g）573K h）473K

当试样在623K、573K和473K保温时，铁素体、贝氏体和马氏体相变均有发生，约973K时相变开始，整个过程结束于约588K。由于保温温度均低于铁素体和贝氏体相变的温度范围，3种冷却路径获得的相组成十分接近，分别为27%F+16%B+57%M、28%F+20%B+52%M和28%F+21%B+51%M。其中F、B和M分别表示铁素体、贝氏体和马氏体。

根据相含量和各相的硬度值，混合组织的硬度可以按式（4-58）计算：

HV=F%×198+B%×402+M%×510 （4-58）

如图4-24所示，硼钢板DIL曲线的分析结果与试验值吻合较好。在生产基于力学性能梯度的热冲压零件时，10K/s的冷却速率配合不同的保温温度可以有效地获得不同相组成的多相混合组织。