等温淬火处理中碳钢的组织及力学性能（一）
1 前言
为提高燃料利用率，汽车阀簧和悬簧趋于小型和轻量化，弹簧用钢的强度进一步增加。但是，高强度化的钢材对于腐蚀凹痕和缺陷等的缺口敏感性高，所以要求改善延韧性。目前，对JIS标准弹簧钢（例如，Si-Cr系、Si-Mn系和Si-Cr-Mn系）的化学成分，提出了添加改善韧性和抗腐蚀性的元素Ni以及细化晶粒和提高抗延迟断裂性的元素（V、Ti）。但是，这些钢材大多含有稀土金属，所以易受资源枯竭和需求波动的影响，高成本成为问题。因此，要求使用货源充足、价格便宜的普通弹簧钢实现高强度和高延韧性兼顾的组织控制技术。
普通弹簧钢水平的含C、Si钢进行等温淬火处理，如果贝氏体组织转化，就会含有大量的残余奥氏体。残余奥氏体如果负荷应力，就会转变为马氏体，引起伸长率变大和韧性提高的相变诱导塑性现象的产生，因而认为添加Si钢可获得高延韧性。
将厚度1mm的普通弹簧钢SUP6（Si-Mn系）板材等温转变，获得贝氏体和残余奥氏体双相混合组织，残余奥氏体量越多，其延性越大，发现由于塑性形变，残余奥氏体一部分诱发转变为马氏体。虽然有关于等温淬火处理的中碳钢，Si、Mn等合金元素对组织及力学性能影响的研究，但对组织和力学性能相关性的研究报告较少，没有关于普通弹簧钢方面的报告。
为此研究了等温淬火处理的普通弹簧钢SUP12（Si-Mn-Cr系）的组织和力学性能，介绍了含有残余奥氏体和马氏体的下贝氏体组织显示出的良好强度-延展性平衡。以S55C材为基准，对增加Cr及Si含量的普通弹簧钢，观察了等温淬火处理后的显微组织。由于增加了Cr、Si含量，抑制了碳化物（渗碳体）的形成，残余奥氏体比率增加。但是，没有对这些等温淬火处理材的力学性能进行深入研究。
本文为了研究贝氏体组织适用普通弹簧钢，明确Cr、Si含量不同的中碳钢进行等温淬火处理时的组织和力学性能的关系。明确轻量化高强度弹簧要求的抗拉强度1800MPa以上，可获得延韧性优良的组织。
2 试验方法
2.1 试样材料
试样材料使用JIS标准钢S55C、SUP9、SUP7和SUP12。以S55C的化学成分为基准时，各元素中有些差异，SUP9比S55C增加了Cr含量，SUP7比S55C、SUP12比SUP9增加了Si含量。
2.2 热处理条件
S55C钢使用直径Φ4mm，SUP9、SUP7和SUP12三种钢使用直径Φ12mm的试样材料，将各试样材料在炉中进行奥氏体化后1000℃，0.4ks，投入到调整到300℃或400℃的盐浴中，保持10ks~59.4ks后水冷。为了比较，对上述各试样进行相同的奥氏体化之后，在60℃的油里淬火，保持180s后，在275℃~560℃温度进行3.6ks的回火处理后制备成试样。另外，S55C试样材料的直径为Φ12mm时，钢内部因淬火不充分硬度变低，所以，在该热处理条件下采用直径Φ4mm的试样。
2.3 组织观察及晶体结构图
对上述热处理后的试样，以横断面为观察面埋入树脂后，用金刚砂纸进行湿式研磨和用胶态氧化硅抛光研磨，在3%硝酸乙醇腐蚀液（HNO3 3ml+C2H5OH 97ml）中腐蚀5s~10s，制备成组织观察用试样。在这些试样的横断面，从试样的外周表面向中心相当于直径1/4的位置，用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察了该位置的组织。
用上述的抛光研磨精加工的试样，采用电子背散射衍射（EBSD）获得晶体结构图。
2.4 残余奥氏体的比率及C含量
2.4 残余奥氏体的比率及C含量
用组织观察中使用的抛光研磨精加工的埋入树脂后的试样，对横断面整体，采用CoKα线的X射线衍射，由公式（1）求出残余奥氏体（γ）的比率。
Vγ=1/{1+（Iα/Rα）/（Iγ/Rγ）} （1）
式中：Vγ为γ相的体积分率；Iα及Iγ分别为对应铁素体相和马氏体相的α相及γ相的衍射线的积分强度；Rα和Rγ分别为α相及γ相的R值（由照射条件决定的常数）。
α相分别测定了α（200）、α（211）衍射线的积分强度；γ相测定了γ（200）、γ（220）的衍射线的积分强度，将两相峰值组合求出的4个残余奥氏体比率的平均值作为代表值。
残余奥氏体中的碳含量，对抛光研磨精加工的横断面整体，采用CoKα线的X射线衍射测定γ（111）、γ（200）、γ（220）及γ（311）的各衍射角，通过采用cos2θ的外插法求出晶格常数（αγ），该常数由公式（2）所示的αγ和C含量的关系决定。
αγ（nm）=0.3573+0.0033×（mass%C） （2）
2.5 强度试验
拉伸试验是以热处理后的材料为原料，通过切削加工，SUP9、SUP7和SUP12用平行部直径Φ6mm，标距30mm的圆棒试样，S55C用平行部直径3.8mm，标距18mm的圆棒试样（JIS X 2201规定的14A号试样）。对这些试样，使用万能精密拉伸试验机以2.8×10-3/s的速度进行拉伸试验，测定了抗拉强度和0.2%屈服强度。应变测定是在试样平行部靠近应变仪来进行测定。并对照断口分别求出断裂伸长率和断面收缩率。此外，本试验所用的拉伸试样形状S55C和SUP9、SUP7、SUP12有所不同。一般拉伸特性值受试样形状的影响，但本试验所用的试样，认为圆棒直径和标距的比率基本相同，对断裂伸长率的影响小，材料组织在标点之间均匀性高，试样形状对拉伸特性值的影响小。
夏比冲击试验采用长55mm、边长10mm的正方形断面、深2mm、45°V型缺口的试样（JIS Z 2202规定的V型缺口）。试样取自上述圆棒试样材料（直径Φ50mm），进行和2.2节相同条件的热处理，然后在室温下进行冲击试验，求出冲击功。
（来源：热处理）
现货资源
| 品名 | 规格 | 材质 | 厂家 | 地区仓库 | 价格 | 现货 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 螺纹钢 | 28*12 | HRB400E | 辽宁瀚达钢铁贸易有限公司 | 新抚钢(雷鸣) | 3380 | 详情 |
| 热轧卷板 | 3.75*1500 | Q235B | 苏州鑫昊欣金属科技有限公司 | 沙钢(玖隆物流) | 3630 | 详情 |
| 普碳中板 | 5*1500*9800 | T700 | 上海衷奇供应链管理有限公司 | 太钢(好放库) | 0 | 详情 |
| 低合金板 | 210 | Q355NB | 舞钢市坤钰供应链管理有限公司 | 舞钢(产业集聚区) | 0 | 详情 |
| 无缝管 | 76*35 | 45# | 山东东银金属材料有限公司 | 聊城(东银库) | 4230 | 详情 |
| 圆钢 | 22*9380 | 25CrMoA | 山东大万实业有限公司 | 宣钢(河北宣化) | 0 | 详情 |
| 热轧卷 | 3.0*1800*C | Q235B | 上海盛钢联供应链管理有限公司 | 宝钢(泉安/津澜) | 0 | 详情 |
| 高线 | Φ20*C | Q355D | 上海北铭高强度钢材有限公司 | 韶钢(川流富锦库) | 5540 | 详情 |
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