摘要：采用冷轧和退火的方法制备了不同球粒化程度的S50C钢样，比较了在同一淬回火工艺时球粒化程度对淬回火相变和力学性能的影响，检测了淬回火前后的拉伸断口形貌，并采用马氏体转变驱动力公式分析了球粒化对马氏体相变的影响。结果表明：S50C钢的球粒化程度随着退火次数的增加而提升，球粒化程度越高淬回火后的组织越均匀；相同淬火工艺下，450℃回火比400℃回火组织均匀细小，抗拉强度随着厚度规格从3.0mm减少到2.0mm，先上升后下降，而伸长率先下降后上升；球粒化程度越高断口的韧窝数量越多、越均匀，淬回火后脆性断裂趋向增强；马氏体转变驱动力公式分析表明，粒化程度增加了铁原子和碳的活度系数，促进了马氏体转变，从而提升产品的综合性能。
关键词：S50C 球粒化程度 热处理 相变和性能
马氏体相变影响因素一直为钢铁热处理研究的热点[1-3]，研究主要分为合金元素对相变的影响[4-6]，奥氏体化条件对相变的影响[7-10]，以及形变对相变的影响[11-13]等，相变过程影响因素的研究促进了对马氏体转变的理解。但在球粒化对钢的马氏体相变影响方面的研究报导较少，研究球粒化对马氏体相变的影响有助于得到综合性能优越的产品，是联系冲压过程和产品性能的纽带。本文比较了S50C钢不同球粒化程度试样淬回火后的相变组织和力学性能，并探讨了球粒化对钢材性能和马氏体转变的影响，力图从相变机理方面揭示球粒化与热处理之间的关系，从而指导生产并为科研技术提供数据支撑。
1 实验材料和研究方法
1.1 实验材料
实验材料选用S50C钢带，化学成分见表1，三种试样分别为：3.0mm厚热轧态、2.5mm和2.0mm厚冷轧态，并且冷轧态试样为热轧试样分别压下不同厚度获得，2.5mm厚度规格为一次退火，2.0mm厚度规格为两次退火。
表1 S50C钢化学成分(质量分数，%)
1.2 研究方法
用冷轧机对3.0mm厚度的热轧钢带进行冷轧压下，压下到2.5mm后进行第一次退火，再次压下到2.0mm进行第二次退火。采用罩氏炉退火，退火工艺为：700℃保温14小时。采用金相显微镜和力学实验机，比较热轧态、一次退火和两次退火态的球粒化程度和力学性能；对热轧态、一次退火和两次退火态的试样进行淬回火热处理，淬回火工艺为：800℃保温3分钟→油淬→400℃或450℃回火1小时，研究淬回火前的球粒化程度对淬回火组织和性能的影响，并分析回火温度与球粒化之间的关系。采用扫描电镜研究分析了淬回火前后拉伸试样的断口形貌，并利用马氏体转变驱动力公式探讨了球粒化程度促进马氏体转变的机理。
2 试验结果和分析
2.1 热轧及退火球粒化组织
图1为热轧和不同退火状态下的球粒化金相组织对比，可见S50C钢热轧组织为珠光体+铁素体组织，无球粒化，且存在网状铁素体组织，网的直径约为28μm。一次退火后珠光体的球粒化程度明显提升，网状铁素体组织已消失，但仍存在条片状珠光体组织，为退火不完全导致，根据合金工具钢标准GB/T 1299，球化级别为1级。两次退火后球粒化程度更高，球粒化程度达到了95%以上，并且珠光体分布均匀，球化级别为3级。表明随着退火次数的增加和冷轧压下率的增加，S50C钢的球化程度增加，珠光体分布均匀度提升。
图1 不同状态下的球粒化金相组织对比
2.2 球粒化对淬回火的影响
图2为不同球粒化组织试样在800℃淬火400℃回火1小时后的金相显微组织，可见相同淬回火工艺下，淬火前球粒化程度不同热处理后显微组织存在差异。3.0mm规格的热轧试样淬回火后存在大量的珠光体组织，原始的网状铁素体仍清晰可见，洛氏硬度(HRC)平均只有35.5。而一次退火和二次退火试样淬回火后组织转变较充分，组织为回火屈氏体组织，洛氏硬度分别为39.0、38.5。一次退火试样的金相显微组织稍粗大，二次退火试样组织细小均匀，这与淬回火前试样的球粒化均匀性一致，表明在淬回火过程中淬火前的组织可以遗传到淬回火后。
图2 不同球粒化组织淬回火后的金相显微组织
2.3 回火温度与球粒化的关系
图3为800℃淬火450℃回火1小时后，不同球粒化试样的金相显微组织，与图2结合起来分析，以研究回火温度与球粒化之间的关系。可见，随着回火温度从400℃提升到450℃，淬回火金相组织得到细化。热轧试样淬回火后的组织细化最明显，团聚的珠光体组织已分散，网状铁素体组织变得不明显；而一次退火和二次退火试样的回火屈氏体组织也明显细化，均匀性提升。450℃回火后试样的硬度(HRC)分别为33.0、37.0和34.5，表明450℃回火比400℃回火更能软化钢材，对比结果也表明球粒化和淬回火工艺合理匹配能优化钢材性能。
图3 450℃回火时不同球粒化组织的金相显微组织
图4 不同球粒化组织淬回火前后的力学性能
2.4 球粒化程度对淬回火性能的影响
图4为不同球粒化组织试样淬回火前后的力学性能对比，淬火前试样：3.0mm对应热轧，2.5mm对应一次退火，2.0mm对应两次退火。淬回火工艺为：800℃淬火，分别于400℃和450℃回火1小时。可见淬火前随着试样从3.0mm轧制到2.0mm，抗拉强度从715 MPa下降到499MPa，而伸长率从25%上升到33.5%，钢材韧性得到了大幅提升，这与球粒化程度提升的金相分析结果一致。淬回火后，相同厚度规格试样，抗拉强度得到了提升，而伸长率下降，其中400℃回火的抗拉强度最高，最高值为1010MPa。相同的淬回火工艺下，随着规格从3.0mm变化到2.0mm，抗拉强度先上升再下降，而伸长率先下降后上升。从2.5mm和2.0mm两个厚度规格可以看出，试样淬火后强度和韧性的变化趋势和淬火前一致，即和退火试样的变化趋势一致，表明球粒化组织的性能可以遗传到下一道热处理工艺中。
2.5 球粒化程度对断口形貌的影响
图5为热轧、一次退火和两次退火试样拉伸断口SEM照片对比，可见随着退火次数的增加断口的韧窝数量增加，均匀程度提升。热轧样断口晶粒较粗大，韧窝较少，但撕裂棱多；一次退火样韧窝已显著细化，但均匀度低，断口呈现受力分布不均形貌；而两次退火试样韧窝均匀，细小而致密，此形貌有助于韧性的提升。断口形貌分析与试样的拉伸性能检测结果一致，较好的解释了强度与韧性之间的关系，同时也说明了球粒化促进了钢材显微组织的细化，并提升了钢材组织的均匀性。
图6为热轧、一次退火和两次退火试样在800℃淬火400℃回火1小时后的拉伸断口形貌，可见与淬火前相比，淬回火后断口形貌发生了较大的变化，三种试样的脆性断裂趋向增强。热轧样韧窝和撕裂棱减少，出现了解离面；一次退火样韧窝和撕裂棱少，解离面大；两次退火样存在较多的韧窝，无解离面。热轧样淬回火后由于组织转变不充分，存在较多的珠光体+铁素体，因而呈现出了一定的韧性断裂形貌；两次退火样由于球粒化程度高，淬回火后断口为韧性断裂形貌；而一次退火样淬回火后断口脆性明显增强。淬回火试样的断口形貌也表明了淬火前球粒化程度影响了淬火过程中的组织转变。
图5 不同球粒化组织拉伸断口的SEM照片
图6 不同球粒化组织淬回火拉伸断口SEM照片
3 马氏体转变驱动力分析
奥氏体转化为马氏体的热力学焓变为[14]：
ΔGγ→M=ΔGγ→α+ΔGα→M
(1)
ΔGγ→M和ΔGγ→α分别为奥氏体转化为马氏体、铁素体时的化学自由焓之差，ΔGα→M为铁素体转化为马氏体时的化学自由焓之差。
因ΔGα→M=GM-Gα>0，所以为相变阻力；而ΔGγ→α=Gα-Gγ<0，所以为相变驱动力，提升马氏体转变的驱动力，有助于马氏体的转变。
徐祖耀提出马氏体转变驱动力公式[15]：
ΔGγ→α=
(2)
式中 xC—碳的原子分数； 
铁原子在铁素体、奥氏体内的活度；
碳在铁素体、奥氏体内的活度系数。
根据公式(2)，当钢的碳含量一定时，
和
的比值越小，ΔGγ→α越负，马氏体转变的驱动力越大。铁素体和渗碳体细化后，减弱了对铁原子和碳原子的束缚，将增大铁原子和碳的活度系数；由于奥氏体温度高于铁素体，因而在奥氏体中增加的幅度大。从而和的比值减小，致使ΔGγ→α减小，即马氏体转变驱动力增大。本文中随着粒化程度的提升，淬回火效果增强，也正是由于组织细化提升了铁原子和碳的活度系数，促进了马氏体转变。
4 结论
1)S50C钢的球粒化程度随着退火次数和冷轧压下量的增加而提升，淬火前的组织均匀性会遗传到淬回火后组织中，球粒化程度越高淬回火后的组织越均匀。
2)相同淬火工艺下，S50C钢450℃回火比400℃回火组织细小均匀，热轧试样的组织细化最明显；随着厚度规格从3.0mm变化到2.0mm，抗拉强度先上升再下降，而伸长率先下降后上升。
3)球粒化程度越高断口的韧窝数量越多，且均匀程度提升；与淬回火前相比，淬回火后试样的脆性断裂趋向增强，两次退火比一次退火韧窝多。
4)马氏体转变驱动力公式表明，粒化程度增加了铁原子和碳的活度系数，促进了马氏体转变，从而提升产品的综合性能。
