50CrVA弹簧钢的奥氏体连续冷却相变研究

刘乐乐，马艳霞，梁 晨，苑 伟

（中国船舶重工集团公司 第七二五研究所，河南 洛阳 471023）

50CrVA钢是一种具有一定强度和良好韧性的中碳合金弹簧钢，力学性能和淬透性能良好，常被用于制造汽车离合器膜片、汽车螺旋悬挂弹簧等[1-2]。随着中国汽车及高速列车的飞速发展，对高品质50CrVA弹簧钢的需求量呈逐年上升趋势[3]。目前国内50CrVA弹簧钢常采用控轧控冷工艺生产，控轧控冷后稳定的组织和性能对钢的品质影响极大[4-5]。过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）能精确地反映不同冷却速度下材料的相变转变温度、转变时间和转变量之间的关系，是制定钢材控轧控冷工艺和热处理参数的重要理论依据[6-7]。本文采用膨胀法结合金相-显微硬度法，在热模拟实验机上测定了50CrVA弹簧钢的相变临界点和CCT曲线，为制定50CrVA钢的塑性加工和热处理工艺提供依据。

1 实验材料与方法

实验材料为某工厂生产的50CrVA热轧态的弹簧钢板，其化学成分如表1所示。

表1 实验钢化学成分/Wt.%

按照YB/T5128-1993《钢的连续冷却转变曲线图的测定》中的要求，取样机加工成ø3mm×10mm的圆柱形热模拟试样。在Gleeble-3500热模拟实验机上将试样以10℃/s的加热速度加热到奥氏体化温度（950℃）并保温10min，使得试样充分奥氏体化，获得临界点Ac1、Ac3。以0.5℃/s的冷却速度冷却到室温，获得临界点Ar1、Ar3。

利用此膨胀法，分别以9种不同的冷却速度（0.5、1、2.5、5、10、20、30、40、50℃/s） 将试样冷却，获得不同冷却速率下的热膨胀曲线。采用Leica DM6000M金相显微镜观察金相组织。采用Microhardness Tester FM-7型显微硬度计测得不同冷却速度条件下试样的显微硬度。

结合微观组织和显微硬度分析结果，采用切线法得到不同冷速下的各相变起始温度和终止温度，在时间-温度坐标中绘制出实验钢的连续冷却转变曲线。

2 实验结果

2.1 实验钢相变临界点

当钢发生固态相变时，由于新旧两相的结构、比热不同，材料的体积将发生不连续的变化，因而热膨胀曲线在相变发生的温度处会形成拐点，因此可以根据热膨胀曲线上拐点来确定相变温度。

图1为实验钢在10℃/s的加热速度和0.5℃/s的冷却速度条件下的热膨胀量与温度之间的关系。采用切线法可测得实验钢临界点分别为Ac1=756℃、Ac3=849℃、Ar1=697℃、Ar3=746℃。

2.2 不同冷却速度条件下的显微组织

图1 实验钢的热膨胀曲线量-温度

膨胀法只能从各种曲线上分析奥氏体转变产物的类型和数量，不能进行直接观察，尤其是在某些关键部位，由于转变量较少等因素，在膨胀曲线上相变点不明显，测量的准确度受到影响，因此要辅以金相法和硬度法。金相法往往作为其他方法的一种补充和必要的校准手段，用于提高测量的准确度，如果转变产物的金相组织形态不易鉴别出来，就需要辅以硬度法，用硬度的测试结果来确定转变产物。

图2（参见下页）为实验钢以不同速度冷却到室温的金相组织照片。由图可见，当冷却速度为0.5℃/s时，转变产物为大量块状铁素体+珠光体+少量贝氏体，随着冷却速度的增加，铁素体含量降低，块状尺寸相应的减小，贝氏体的含量逐渐增加，当冷却速度为2.5℃/s时，转变产物以贝氏体为主，含量少量的铁素体，当冷却速度为5℃/s时，转变产物中开始出现少量的马氏体，铁素体含量极少，只在个别视场中发现了颗粒状的铁素体。当冷却速度增加到10～50℃/s时，转变产物为马氏体。

图2 不同冷却速度对应的膨胀曲线

2.3 不同冷却速度条件下的显微硬度

图3为实验钢显微硬度随冷却速度变化的关系曲线。从图3中可以看出，当冷却速度小于5℃/s时，显微硬度随冷却速度增大显著提高，曲线斜率很大。当冷却速度为0.5℃/s时，对应的显微硬度为281HV，当冷速为5℃/s时，对应显微硬度增加到564HV。当冷速为当冷却速度大于5℃/s时，曲线趋于水平，其显微硬度趋于稳定。

图3 实验钢显微硬度随冷却速度变化的关系曲线

2.4 CCT曲线的绘制及讨论

根据不同冷却速度膨胀曲线上的切点，结合显微组织观察和显微硬度测量，可确定出实验钢不同冷却速度下的相变温度，如表2所示。

表2 不同冷却速度对应的相变点

将表2中的相变点绘制到温度-时间半对数坐标上，用连线法将各物理意义相同的点连接起来，同时，在该坐标上标出Ac1、Ac3和Ms，即可绘出实验钢的CCT图，如图4所示。图4中冷却曲线旁的数字为冷却速度（℃/s），冷却曲线下端的数字为以此速度冷却后试样的室温维氏硬度值（HV）。

图4 实验钢的CCT图

从CCT图可以看出，50CrVA弹簧钢的奥氏体以不同冷速连续冷却时经历了3个区，在高温区有铁素体转变和珠光体转变，中温区有贝氏体转变，低温区有马氏体转变。当冷却速度小于5℃/s时，50CrVA弹簧钢的转变产物为多边形铁素体、珠光体和少量贝氏体的混合组织；当冷却速度为5℃/s时，转变产物为颗粒状铁素体、贝氏体及少量马氏体；当冷却速度达到10℃/s时，从膨胀曲线以及显微组织中可以断定已不存在铁素体转变，硬度曲线也可以看出，冷却速度达到10℃/s后，硬度值稳定在680HV左右。因此，判断50CrV4钢不发生铁素体转变的临界冷却速度在5-10℃/s之间，10℃/s为发生完全马氏体转变的临界冷却速度。

50CrVA钢中的主要合金元素Cr、V等都能提高碳在奥氏体中的扩散激活能，降低碳的扩散速度，推迟了奥氏体的扩散分解过程[8-9]，所以实验钢在相对比较慢的冷速（0.5℃/s-2.5℃/s）下有先共析铁素体生成。随冷却速度的增加，抑制了新形成的铁素体晶核的长大，使其在相变产物中所占比例逐渐减少，当冷速达到某一临界值时，形成的铁素体晶核不能达到长大的临界尺寸，共析铁素体的析出完全受到抑制。

过冷奥氏体冷却时远离平衡态，会出现贫碳区和富碳区的涨落，加速随机出现的结构涨落和能量涨落，在贫碳区建构铁素体，在富碳区构建渗碳体或碳化物，二者共析发生互为因果，无论哪一相领先，结果都是形成珠光体的晶核[10-11]。实验钢在较低速度冷却时，在高温区生成细片状珠光体。珠光体是共析铁素体和共析碳化物有机结合的整合组织。在过冷奥氏体的连续冷却过程中，随着温度的降低，碳扩散速度减慢，碳原子难以进行长距离的迁移，珠光体间距越来越小，共析愈来愈困难，当温度降低到Bs点时，共析将不能进行，贝氏体优先在晶界单独析出，当温度继续降低时，铁原子和碳原子都不能发生扩散，只能通过切变发生晶格改组，发生马氏体转变。随着冷却速度的增大，过冷奥氏体极大远离平衡态，当达到MS点时，在奥氏体晶粒内的位错或层错处，发生结构涨落和能量涨落，并通过位错或层错的运动，迅速放大这种涨落，发生马氏体转变。

3 结论

（1）当冷却速度小于5℃/s时，转变产物为多边形铁素体、珠光体和少量贝氏体的混合组织；当冷却速度为5℃/s时，转变产物为颗粒状铁素体、贝氏体及少量马氏体；当冷却速度大于5℃/s时，转变产物为马氏体。

（2）不发生铁素体转变的临界冷却速度在5～10℃/s之间，发生完全马氏体转变的临界冷却速度为10℃/s。