热处理对组织和性能的影响分析

（一） 奥氏体化温度对组织和性能的作用

图12-16为奥氏体化温度对硬度和冲击韧度的影响。随奥氏体化温度的升高，硬度值首先上升，900℃以后开始下降，温度在820～900℃之间时，硬度值均在50HRC以上。冲击韧度随温度上升，先是呈下降，之后在820～900℃变化较平缓，900℃以上，又呈下降趋势。金相组织观察表明，在780～800℃之间，组织中有铁素体存在，由此表现出硬度较低，冲击韧度较高；随着温度的提高，贝氏体量逐渐减少，奥氏体量逐渐增多，而贝氏体针片大小变化不大。造成这样变化的原因是由于高温奥氏体化时，奥氏体中的含碳量较多，并且，合金元素均匀程度也提高，由此提高了奥氏体的稳定性，造成贝氏体转变的困难。因此表现出贝氏体量逐渐减少，奥氏体量逐渐增多。虽然，奥氏体化温度高，碳的浓度也高，但这一浓度远没有由于贝氏体转变而使周围造成的富碳浓度高，因此，贝氏体周围的奥氏体薄膜比大块状晶界分布的奥氏体的稳定性要好，它对强度和韧度均呈有益的贡献。但是大块奥氏体加部分转变的马氏体，却使硬度和冲击韧度降低。因此，在确定奥氏体量的时候，必须考虑奥氏体的分布形式。

图12-10　不同含硅量对基体组织的影响　300×

（a）2．52%Si；（b）3．03%Si；（c）3．40%Si；（d）3．63%Si
（e）4．50%Si；（f）4．86%Si

图12-11　Si/Mn比值对抗拉强度的影响

图12-12　Si/Mn比值对冲击韧度的影响

（二） 不同冷速对贝氏体转变的影响

实验方法是浇注不同模数的试件 （Φ50，H50，m=0．83cm；Φ75，H75，m =1．25cm；Φ100，H100，m=1．67cm），采用淬火和正火两种冷却方式。图12-17和图12-18是淬火条件下不同模数基体组成的变化。在所实验的含锰量范围内，针状组织随锰的增加而减少，并且，模数大的基体中针状组织含量较多。而奥氏体含量的变化刚好与此相反，随含锰量的增加，奥氏体的含量也在不断增加，模数大的奥氏体含量少。这主要是由于锰对奥氏体的稳定作用及模数小，冷却速度较快，造成更多奥氏体的出现。

图12-13　Si/Mn比值对硬度的影响

图12-14　不含硼与含硼基体组织的扫描电镜照片　3000×

（a）不含硼贝氏体组织；（b）含硼贝氏体组织

图12-15　含硼量对硬度和冲击韧度的影响

图12-16　奥氏体化温度对硬度和冲击韧度的影响

图12-17　淬火条件下冷速对贝氏体转变量的影响

图12-18　淬火条件下冷速对残余奥氏体含量的影响

图12-19　淬火条件下基体组织组成

注：所有组织均为光学显微镜下可辨认B—贝氏体；M—马氏体；γ—奥氏体；K—碳化物

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图12-20　正火条件下基体组织组成

注：所有组织均为光学显微镜下可辨认F—铁素体；P—珠光体；B—贝氏体；M—马氏体；γ—奥氏体；K—碳化物

作者及其合作者根据成分对不同模数下基体组织的影响，提出了模数—基体组织组成—Si/Mn比关系图 （图12-19，图12-20）。此时应满足基本成分要求，即w（Mn）=2．0%～3．5%，w（Si）=2．8%～3．5%范围内变化。由图即可根据零件的模数、使用要求、确定合适的组织组成和冷却方式。为此，作者还测出了这种贝氏体球墨铸铁的连续冷却曲线（见图12-21）。

另外，冷却速度也可以通过冷却介质的变化而加以调整。冷却介质的选择既要满足组织和性能的要求，同时又能满足节能、安全、环境保护的要求，对一些无烟、无毒、无臭、不燃烧的水溶性淬火介质的冷却特性的研究结果表明，通过在热处理工件上形成一层水溶液薄膜，可调节工件的冷却速度。图12-22为不同比重的水溶液淬火介质的冷却曲线。由图12-22可见，可以利用水溶液比重的变化而改变冷却速度，比重越大，冷却速度越慢。另外，也可通过加入一定的无机盐或碱，来改变冷却速度。实验结果表明，采用水溶液淬火能够得到理想的贝氏体组织，可以代替等温淬火热处理工艺，对模数较大的工件，尤其显得重要。

图12-21　硅锰合金化球墨铸铁的连续冷却转变曲线

注：铸态，奥氏体化温度为900℃P—珠光体；B—贝氏体

图12-22　不同比重的水溶液介质的冷却特性曲线

1—水；2—d=1．10的水溶液；3—d=1．14的水溶液；4—d=1．18的水溶液；5—d=1．22的水溶液；6—d=1．26的水溶液；7—d=1．30的水溶液

图12-23　回火温度对残余奥氏体量的影响

（三） 回火温度对组织和性能的影响

为了系统地了解回火温度对组织和性能的影响，对Si/Mn比不同的两组试样进行了热处理，检验回火温度对基体组织、残余奥氏体量、硬度和冲击韧度的影响，结果见图12-23、图12-24和图12-25。

图12-24　回火温度对硬度值的影响

图12-25　回火温度对冲击韧度的影响

图12-23为Si/Mn比值为1．30时，回火温度对残余奥氏体量的影响。随着回火温度的提高，残余奥氏体量逐渐降低，当温度为450℃以上时，用X射线衍射仪已难于测出残余奥氏体的含量。

从图12-24可以看到，硬度随回火温度的提高而降低，在温度低于500℃时，下降幅度较小；而当回火温度在500℃以上时，下降幅度较大。低温回火 （200～300℃）后，冲击韧度比淬火时显著提高，并且随回火温度的提高而下降 （见图12-25）。当回火温度为250℃时，冲击韧度有所下降，表现为第一回火脆性区的出现，并且Si/Mn比值为1．05的冲击韧度下降幅度较大，而Si/Mn比值为1．30时表现较稳定。当回火温度为450～500℃之间时，冲击韧度达到最低点，表现为第二回火脆性区。随着回火温度的进一步提高，冲击韧度又开始回升。Si/Mn比值为1．05的韧性在400℃时即达到最低点，而Si/Mn比值为1．30的最低点在500℃。由此说明，不同的Si/Mn比值，它们的回火脆性区是不同的。锰含量固定不变时，回火脆性区随硅含量的增加而提高，也就是说，硅含量高，其回火稳定性好。

图12-26为不同回火温度下的复型照片。可以看出，淬火后组织与回火后组织有一定差别，特别在高温回火后，组织发生了改变，由此而表现出的性能也会发生改变。并且，随着回火温度的变化，组织的改变程度也不相同。300℃回火时，在贝氏体针片上开始有碳化物颗粒析出，贝氏体针与奥氏体基体界线清晰，并有相当量的奥氏体存在。400℃时，析出的碳化物开始连成条状，与贝氏体针成一定角度，与典型的下贝氏体组织相像，此时仍有部分奥氏体存在，贝氏体针与奥氏体的界线不太清晰。当450℃回火时，基本上没有奥氏体的存在，贝氏体针也开始模糊，但仍保留有贝氏体针的轮廓。500℃回火，贝氏体针的痕迹基本上消失，析出的碳化物颗粒变大，有的部分开始规则排列，有形成索氏体的趋势。600℃时，碳化物颗粒更大，形成回火珠光体。

由以上组织和性能的实验结果得知，采用淬火加低温回火工艺，可以取代等温淬火，而使抗磨贝氏体球墨铸铁获得理想的组织和性能，因而可以满足作为抗磨材料的性能要求。组织中以贝氏体针为主，还有少量马氏体和奥氏体，并使奥氏体量尽量控制在20%以下。组织组成的控制以图12-27中 （a）较为理想，力求避免出现大块奥氏体 [见图12-27 （b）、（c）]、索氏体 [见图12-27 （d）]及大块碳化物[见图12-27 （c）]。

图12-26　不同回火温度下的复型电镜照片

（a）300℃ （3000×）；（b）400℃ （5000×）；（c）450℃ （7000×）；（d）500℃ （7000×）；（e）600℃ （7000×）

图12-27　金相组织复型电镜照片

（a）5000×；（b）5000×；（c）7000×；（d）5000×