研究等温时间对纳米贝氏体钢微观结构和力学性能演变的影响

《Journal of Alloys and Compounds Communications》：Study on the evolution of microstructure and mechanical properties of nano-bainitic steels caused by isothermal time

纳米贝氏体钢的力学性能与显微组织演化规律研究，通过等温淬火工艺优化时间实现性能提升，GCr15SiMoAl钢经12小时等温淬火后纳米贝氏体含量显著增加，硬度保持稳定而韧性和屈服强度显著提高。

　　

沈思迪|李振|杜三明|魏超凡|傅丽华|王向东|齐汉珍

河南科技大学，洛阳 471023，中国

摘要

通过等温淬火热处理GCr15SiMoAl轴承钢，获得了纳米贝氏体钢。研究了等温淬火时间对其微观组织和力学性能的影响。研究发现，随着等温淬火时间的增加，贝氏体含量增加，且贝氏体板条中纳米贝氏体的比例也随着晶粒尺寸的增大而增加。等温淬火时间延长时，纳米贝氏体钢的硬度基本保持不变，但其韧性和屈服强度显著提高，尤其是在等温淬火12小时后，韧性和强度的改善最为明显。贝氏体含量的增加是提高GCr15SiMoAl钢综合力学性能的主要因素。

引言

作为支撑和维护各种机械产品的重要机械部件，轴承被广泛应用于国民经济的各个领域，因此对轴承钢的市场需求非常大[1]。由于轴承的重要性，对其微观组织分布和化学成分均匀性的要求非常严格，尤其是在力学性能方面。市场上最常用的轴承钢是马氏体钢。马氏体微观组织具有高强度[2]、高硬度[4]和优异的耐磨性[5]，这得益于其较高的位错密度、细小的孪晶结构以及碳的偏析。然而，高碳铬轴承钢在传统淬火过程中表面容易产生残余拉应力[6]。此外，马氏体轴承钢还存在脆性大[7]、韧性差[8]和疲劳寿命低[9]的问题，这些都会对轴承的使用寿命产生不利影响。因此，开发新型轴承钢至关重要。

最近的研究发现了一种称为超贝氏体结构的纳米贝氏体微观组织，这种结构是通过长时间低温等温淬火实现的。纳米贝氏体钢的典型微观组织由亚微米或纳米级的贝氏体铁素体板条与薄膜状的残余奥氏体组成。薄膜状残余奥氏体的存在不仅提高了纳米贝氏体钢的塑性和韧性，还由于纳米级贝氏体铁素体板条之间的平行排列而保持了结构的稳定性[10]。与传统马氏体钢相比，纳米贝氏体钢具有更高的韧性[11]、更好的耐磨性[12]和疲劳性能[13]。此外，其较低的转变温度和较高的铁素体饱和度使得碳化物分布更加均匀，从而赋予了其高强度和硬度的特性[14]。自从纳米贝氏体（NB）的概念提出以来，由于其优异的力学性能，纳米贝氏体钢受到了广泛关注，成为业界的研究热点。

众所周知，几乎所有纳米贝氏体钢都含有Si和Mo元素。添加Si可以抑制贝氏体转变过程中的碳化物析出[15]，增强贝氏体铁素体与奥氏体之间的界面迁移阻力，促进块状残余奥氏体的形成，并细化贝氏体铁素体的层状结构[16]。添加Mo可以促进贝氏体转变，有效延缓高温产物的形成，显著提高贝氏体钢的拉伸性能[17]。然而，过量的Si和Mo会导致贝氏体转变速率降低[18]、[19]。GCr15SiMoAl钢是一种新型轴承钢，在Si和Mo的基础上还添加了Al。Al的添加可以提高材料的淬透性[20]，同时增加奥氏体与铁素体之间的自由能差，加速贝氏体转变[21]、[22]。先前的研究表明，Al还可以降低贝氏体钢的氢脆敏感性，并提高抗应力腐蚀能力[23]、[24]。如何实现贝氏体轴承钢的最佳综合力学性能一直是研究的重点。本文探讨了等温淬火热处理时间对GCr15SiMoAl钢制备的纳米贝氏体钢微观组织和力学性能的影响。

实验材料与工艺

实验材料与工艺

本研究选用了从商业渠道采购的GCr15SiMoAl轴承钢作为研究对象。该轴承钢在真空感应炉中熔炼后，铸造成尺寸为60mm×40mm×1000mm的坯料。轴承钢的名义化学成分见表1。

为了制定合理的等温淬火工艺，使用了热力学模拟软件JMatPro来输入化学成分数据。

微观组织

图2展示了不同等温淬火时间下获得的纳米贝氏体钢的典型扫描电子显微镜（SEM）显微图。从图中可以看出，这些钢材的微观组织主要由细小的超细贝氏体板条、黑色马氏体板条、块状残余奥氏体和细小球形碳化物组成。较低的等温淬火温度使得贝氏体板条的尺寸达到纳米级别，且由于温度较低，贝氏体的生长速度明显减慢。

结论

采用不同的热处理工艺制备了GCr15SiMoAl贝氏体轴承钢，并研究了等温淬火时间对其微观组织和力学性能的影响。主要结论如下：

(1)

钢材的微观组织演变与淬火时间之间存在相关性。随着淬火时间从短到长的变化，贝氏体含量呈现出持续增加的趋势

作者贡献声明

齐汉珍：研究、数据整理。沈思迪：撰写——初稿、可视化处理、方法学研究、数据分析、数据分析。傅丽华：可视化处理、研究、数据分析、数据分析。魏超凡：指导、方法学研究。杜三明：撰写——审稿与编辑、指导、方法学研究。李振：撰写——初稿、项目管理、方法学研究、资金筹集、概念构思。王向东：研究、数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52165024）和河南科技大学国家先进轴承摩擦学联合工程实验室的支持。