板条组织低合金钢中影响低温韧性的“有效晶粒尺寸”

沈俊昶 罗志俊 杨才福 张永权 (钢铁研究总院， 北京 100081)

摘 要 采用OM、SEM、TEM及EBSD等方法，对板条组织低合金钢精细组织结构进行研究，并测试了不同热处理条件下试验钢的低温韧性。研究过程中，从晶体学位向关系、亚单元对性能的定量影响规律、解理裂纹扩展路径的实际观察等三个方面分别研究控制低温韧性的“有效晶粒尺寸”。几个不同方面的研究结果均表明，板条块（block）是决定板条组织低合金钢低温韧性的最小亚单元，即block尺寸是影响低温韧性的“有效晶粒尺寸”。

关键词 解理断裂 低温韧性 Block Packet EBSD 有效晶粒尺寸

引言

众所周知，韧性是反映材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，韧性的本质是由钢的断裂方式决定的。工程上，一般将断裂方式按照断裂时有无宏观的塑性变形分为韧断和脆断两种类型。断裂的微观机制包括众多类型，对于低合金高强度来说，主要发生微孔聚集型和解理（或准解理）型两种穿晶断裂方式，如图1所示。

图1低合金高强度钢的两种典型断裂方式

目前关于断裂的本质尽管还存在很多争议，但是基本的观点是一致的。即韧断是由位错滑移引起的，以微孔聚集方式进行，对于体心立方金属来说，最易于滑移的是{110}晶面，当应力超过金属的屈服强度σt时，裂纹沿{110}面扩展发生韧断；而脆断则以解理断裂方式进行，此时在正应力的作用下断裂面沿一定的晶面正向分离，由于体心立方金属的{100}晶面正向结合强度低于其它晶面，因此当应力超过晶面正向结合强度（解理断裂强度σf）时，解理断裂裂纹沿着{100}晶面快速扩展，当{100}晶面方向改变时，解理裂纹的扩展受阻。

从力学角度来看，发生脆性解理断裂的前提是钢的解理断裂强度σf低于屈服强度σt，此时，在应力作用下，钢来不及发生韧断，而是直接发生脆断。可以说，钢的韧脆转变是屈服强度σt与解理断裂强度σf谁大谁小的问题，而温度对二者受温度的影响程度不同，导致体心立方的低合金钢发生韧脆转变现象。由于韧断是由位错的滑移运动引发的，随着温度的降低，位错运动的阻力增加，因此温度降低时屈服强度σt提高，而解理断裂强度σf受温度的影响相对较小。如图2所示，随着温度的降低，σt逐渐增加，当温度低于韧脆转变温度Tk时，σt超过解理断裂强度σf，断裂方式由微孔聚集型的韧断转变成解理脆断方式，其低温韧性较差。

σ 脆断 韧断 σf σt Tk T 图2 钢的韧脆转变断裂机制

根据上述分析，提高钢的低温韧性有效方式是提高钢的解理断裂强度σf。根据C. Nagasaki等人的研究结果，解理断裂强度符合hall-petch关系，可表示为[1]：

σf＝Kf.deff-1/2

上式中，deff是影响低温韧性的有效晶粒尺寸。如前所述，钢的解理断裂沿{100}晶面产生，因此影响韧性的有效晶粒尺寸应为{100}晶面的有效尺寸[2]。

调质型的低合金高强度钢一般得到板条结构的马氏体或者马氏体+贝氏体混合组织，但无论板条马氏体还是板条贝氏体，都具有相似且复杂的微观组织亚结构。分析这类板条组织结构的形态及晶体学取向关系，对研究马氏体组织对强韧性的影响是非常重要的。上世纪70年代以来，板条马氏体钢微观组织亚单元与强度之间的研究较多[3-4]，而与韧性关系的研究相对较少。对于控制低温韧性的“有效晶粒尺寸”观点不一，对板条马氏体解理断裂传播起决定作用的亚单元一直没有清晰的结论。本文采用OM、SEM、TEM以及EBSD技术等对调质型低合金高强度钢精细组织结构进行了深入分析，在此基础上，提出板条块（block）

尺寸是影响低温韧性的“有效晶粒尺寸”的观点。

1 试验材料与热处理

试验研究采用工业生产的10Ni5CrMo钢板，其原始状态为未经热处理的轧制态，钢的主要化学成分为：0.08% C、0.3%Si、0.6%Mn、4.8%Ni、0.6%Cr、0.5%Mo。沿钢板横向切取尺寸为25×20×200mm的小试样，在厢式炉中热处理。为了准确观察和测量亚结构尺寸，淬火采用1300℃加热，以便获得粗大组织，随后经保温1h后分别水淬、油淬、快风冷、埋砂冷，其目的是通过不同冷却速度获得不同的精细组织。回火采用0℃保温2h。热处理工艺示意图见图3。

Ac3 温度 水冷 油冷 时间 风冷 埋砂

图3 试验钢热处理工艺

2 不同冷却条件下试验钢的金相组织与力学性能

10Ni5CrMo钢中Ni、Mo等合金含量较高，冷却过程中铁素体转变被完全抑制，在很宽的温度范围内形成板条结构的马氏体或贝氏体组织。试验中采用1%偏重亚硫酸钠+4%苦味酸酒精溶液按1：1配制溶液，对钢进行着色腐蚀，图4显示了金相组织照片。经过着色腐蚀后，棕黄色为板条马氏体组织，蓝色为板条贝氏体组织。图4a可见，水冷下钢中得到板条结构的全马氏体组织；随着冷却速度的降低（油冷和风冷），得到板条结构的马氏体+贝氏体混合组织(图4b,c)；冷却速度进一步降低，钢中开始出现粒状贝氏体组织，板条结构变得模糊(图4d)。

图5示出了不同冷却速度下试验钢的力学性能，可以看到，冷却速度对强度的影响较小，而对低温韧性影响则较大。随着冷却速度的降低，钢的韧性逐渐提高，但是当冷却速度降低到一定程度，钢中出现粒状贝氏体组织时，韧性又降低了。

上述试验结果表明，水冷、油冷及风冷条件下，试验钢尽管都均得到板条结

构组织，但钢的韧性差异较大，表明不同冷却条件下板条结构的马氏体及马氏体+贝氏体精细组织结构存在差异，不同组织中影响低温韧性的“有效晶粒尺寸”存在差异，因此，有必要对其精细组织结构进一步深入分析。

a

b

c

d

图4 试验钢金相组织照片，(a)水冷；(b)油冷；(c)空冷；(d)埋砂

1100Rp0.2Rm1000冲击功，MPa

200KV2，-20℃KV2，-84℃150强度，MPa90010080070050600水冷油冷风冷埋砂0水冷油冷风冷埋砂 图5 试验钢的力学性能

3 板条组织亚单元晶体学位向关系

分析板条马氏体的形态及晶体学取向关系，对研究马氏体组织对强韧性的影响是非常重要的。图6为板条马氏体的结构示意图，通常认为，一个原始奥氏体

晶粒被分为三到五个板条束（packet，具有相同惯习面），每个packet内部又由若干个板条块（block，取向相似板条的集合）组成，而每个block由若干个板条（Lath）组成。

图6 板条马氏体显微组织晶体学特征

本研究采用背散射电子衍射(EBSD)方法观察马氏体以及马氏体+贝氏体混合组织精细结构。试验在JEOL6500F热场发射扫描电镜和集成的EBSD/EDS系统中进行。

图7示出了油冷方式下试验钢EBSD单元颜色图及亚单元晶体学位向关系，图中黑色虚线示出了两个相邻packet的边界，在两个packet内部，包含若干个block，分别为1~8和1′~5′。分析结果表明，同一packet内部相邻block（如1和2）之间不仅是取向差较大的大角度晶界，并且相邻block间的{100}面存在一定的夹角。两个不同Packet的相邻Block（例如1和1’）之间的取向差及{100}面的夹角情况类似，因此，可以认为Block和Packet界对解理裂纹扩展具有相同的阻碍作用。图8示出了风冷方式下试验钢EBSD单元颜色图及亚单元晶体学位向关系，其规律类似。

Packet

Block 取向差角

58.7

57 60 60.6 55.7 55.3 57.6 58.2 57.9 57.3 35.8 51 52.1 57.7 52

1-2 2-3 3-4

Packet 1 4-5

5-6 6-7 7-8 1′-2′ 2′-3′

Packet 2

3′-4′ 4′-5′ 1′-1

Packet 1和2 1′ -2 相邻Block 1′ -4

1′ -5

板条块间{100}面的夹角 20.41 20.41 17.59 18. 20.96 20.96 20.63 12.11 34.06 21.68 22.17 17.62 30.23 17.44 17.98

图7 油冷方式下试验钢EBSD单元颜色图及亚单元晶体学位向关系

板条束

板条块 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 1′-2′ 2′-3′ 3′-4′ 4′-5′ 5′-6′ 6′-7′ 7′-2 7′-3 7′-4 6′-5 9-8′ 10-8′ 10-2′

Packet 1

Packet 2

Packet 1和

2

相邻Block

取向差角 59.1 53.9 58.9 59.8 58.7 59.3 59.9 57.4 55.9 53.8 58.3 59.7 57.1 52.1 50.8 52.3 50.3 13.9 51.7 49.7 板条块间{100}面

的夹角 40.4 37.25 45.19 41.65 44.87 36.70 39.71 35.87 20.12 19.15 34.62 29.09 32.48 38 10.34 38.07 42.24 14.96 21.59 28.79

图8 风冷方式下试验钢EBSD单元颜色图及亚单元晶体学位向关系

前面提到，控制低温韧性的有效晶粒尺寸应为{100}晶面的有效尺寸，由于不同block间{100}面发生转折，对解理裂纹的扩展产生阻碍作用，因此，根据分析结果可以初步判定block尺寸控制低温韧性的“有效晶粒尺寸”。

4 亚单元尺寸定量分析及其对性能的影响

仅仅经过block间{100}晶面夹角一个方面的分析显然是不充分的，为进一步验证bolck是影响低温韧性的“有效晶粒尺寸”这一结论，分别测定了不同冷却组织下原始奥氏体晶粒尺寸、packet尺寸、block尺寸及lath尺寸，分析了这些亚单元尺寸对性能的影响规律。

1）原始奥氏体晶粒的统计

利用金相显微镜统计原始奥氏体晶粒大小，每种冷却方式测量大约300个晶粒。

2）packet尺寸的统计

在扫描电子显微镜（SEM）下测量统计马氏体板条束（Packet）尺寸，每种冷却方式测量大约200个板条束。

3）block的统计

利用热场发射SEM中集成的EBSD系统测量统计板条块（Block）尺寸，每种晶粒尺寸测量大约800-1000个板条块，得出板条块宽度。

4）lath的统计

四种冷却方式下，试验钢TEM形貌示于图10。每种晶粒尺寸测量大约80-120

个板条，得出板条宽度。

（a）

（b）

（c）

（d）

图9 不同冷却条件下试验钢TEM形貌 (a) 水淬；(b) 油淬；(c) 快风冷；(d) 埋砂冷

不同冷却条件下微观组织亚单元尺寸的定量测试结果示于表1。表中可见，通过相同的加热制度获得的原始奥氏体晶粒尺寸（92μm左右）基本相同，并且不同冷却制度下试验钢的Lath尺寸也基本相同，而不同冷却制度下钢的低温冲击功存在很大差异，因此，原始奥氏体晶粒尺寸和Lath尺寸不是决定韧性的有效晶粒尺寸。

表1 微观亚组织单元尺寸

亚单元尺寸（μm） 原始奥氏体晶粒尺寸 板条束（Packet）尺寸 板条块(Block) 宽度 板条(Lath)宽度 -20℃KV2，J -84℃KV2，J

水淬 92.34 42.91 4.772 0.385 13 5

油淬 93.19 37.41 4.312 0.375 60 9

风冷 91.97 28.11 3.567 0.378 159 44

埋砂 92.93 33.37 3.916 0.371 79 18

表1可见，随着冷却速度的降低，packet尺寸和block尺寸都得到细化，相应的低温冲击功逐渐增加，风冷条件下packet和block尺寸最细小，低温冲击功最高，当冷速进一步降低时，packet和block尺寸又开始增加，导致埋砂条件下

钢的低温冲击功又开始降低。

试验结果表明Packet和Block尺寸变化都对低温韧性产生影响，有人认为控制韧性的组织亚单元是Packet尺寸[5]，也有人认为是Block尺寸[6] 。图10显示，Packet尺寸及Block宽度与-20℃和-84℃冲击功呈线性关系，而冲击功与Block的斜率大于与Packet的斜率，并且Block是更小的亚结构，表明Block宽度对冲击功的影响作用大于Packet尺寸。

综上，从定量角度分析各种亚结构的对性能影响程度，同样可以认为Block尺寸是对低温韧性起决定作用的“有效晶粒尺寸”。

图10 Packet尺寸及Block宽度对-20℃及-84℃低温冲击功的影响

5 解理裂纹扩展路径

解理（或准解理）断裂裂纹是沿着{100}面扩展的，为了实际观察解理裂纹的扩展路径，本研究在-196℃下进行夏比冲击试验，使试验钢发生脆性解理断裂。将冲击试样断口镀镍，纵向切开，观察面见图11。用4%酒精溶液腐蚀，在EBSD下观察断口裂纹在钢中的扩展路径。

图11 冲击断口(-196℃)的观察面

图12示出了裂纹遇到block边界时的扩展路径，可以看到，解理裂纹扩展时，每次穿越block边界均发生一定角度的转折，表明裂纹的连续扩展受到阻碍，需要消耗较多的能量改变方向后才能进一步扩展。图13示出了裂纹遇到Lath界的扩展路径，可以看到，在一个block内部，裂纹穿越Lath界时几乎不发生转折，始终沿着同一方向扩展，消耗的能量较少。

因此， Lath界对裂纹扩展没有阻碍作用，而block边界有效阻碍了解理裂纹的扩展，提高了低温韧性。这一试验结果再次证明，block尺寸是影响低温韧性的“有效晶粒尺寸”。

图12 裂纹沿不同Block间扩展的取向图和示意图

图13 裂纹沿Lath间扩展的取向图和示意图

6 其它

上述研究结果表明，不同冷却条件下，试验钢的低温韧性发生显著变化，这是由于钢中的亚单元尺寸发生了变化。板条结构的马氏体+贝氏体组织能够改善

钢的强韧性这一结论已为众多的研究结果所证实。有人认为其原因在于冷却过程中先形成的贝氏体可以分割原奥氏体晶粒，使得随后转变的马氏体板条束尺寸较小[7]；也有人认为板条组织的细化不是依靠贝氏体的分割，而是依靠在奥氏体晶粒内形成不同的贝氏体和马氏体领域来实现的[8]，本文对这方面的内容不再详细赘述。

7结论

本文采用OM、SEM、TEM及EBSD方法，对板条结构的马氏体组织及马氏体贝氏体混合组织精细组织结构进行研究，首先研究分析了板条组织中block界、packet界的晶体学取向差及{100}面夹角，随后对亚结构尺寸进行了定量测试，分析其对性能的影响，最后，对解理裂纹的实际扩展路径进行了观察。几个方面的研究结果均表明，block是板条结构中控制韧性的最小亚单元，即block尺寸是控制低温韧性的“有效晶粒尺寸”。

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