01
前言
热处理钢的力学性能通常由调质工艺决定，这些工艺以及整个技术流程通常经过验证后不会轻易更改。由于对操作人员的知识要求较高，通常不改变加工参数。最终力学性能的偏差往往基于技术交付条件，即供应商及其提供的材料。高强度钢的交付状态通常为软化退火态。这一要求可以通过金相分析（碳化物球化分析）来界定，或主要通过测量最大硬度值来确定。这导致钢材在组织条件方面存在较大差异，并且可能给高强度应用中的后续热处理带来问题。
实现这些要求的加工方法有很多，如不同的软化退火工艺。传统的软化退火在A1温度附近进行。退火过程中，渗碳体片层会球化，在铁素体基体中形成圆形的渗碳体颗粒。这种传统退火是一个相当耗时的扩散过程，通常需要数十小时。经过球化处理后，材料需要缓慢冷却，当退火温度高于A1时尤为重要。此外，含硅量较高的钢中由于碳扩散性变差，碳化物球化会受到阻碍。
如今，有多种方法可以实现软化退火组织并加快热处理过程。例如，在A1温度以上和以下交替加热、在A1附近进行热循环、过热后再冷却等等。所有这些炉内处理过程耗时从几十小时到几小时不等。通过对工艺进行改进，可有效降低热处理时间。感应加热能够实现快速加热，同时发生离异共析转变（DET）。基于快速感应加热循环和DET效应的球化处理是“加速球化与细化”（ASR）技术的关键部分。这种ASR工艺能在几分钟内使组织球化。另一种快速加速球化的ASR方法是基于热力学处理。
先进的加工工艺会影响球状碳化物的尺寸以及原奥氏体晶粒尺寸。这种趋势会减缓硬度的下降，因为弥散强化的作用增强，且原始奥氏体晶粒变小。一般来说，如果工艺设置得当，较短的加工时间会使碳化物和奥氏体晶粒更细化。否则，较短的加工时间会导致碳化物颗粒的球化程度降低，层状碳化物的数量会增加退火材料的硬度。从先进球化处理的角度来看，硬度标准可能会变得不正确。对于高强度材料，可靠的方案是进行金相分析。
本研究的主要目的是在高强度弹簧钢54SiCr6中获得不同的珠光体组织，并从奥氏体化行为和最终力学性能的角度对它们进行比较。淬火前的组织通过软化退火、ASR工艺以及热轧后空冷获得。利用扫描电子显微镜（SEM）观察微观组织演变。通过硬度测量和拉伸试验测定基本力学性能。
54SiCr6钢用于高应力成型弹簧和高强度钢丝。对于成型弹簧部件，其通常加工至极限强度达到1500-2000MPa，延伸率不低于6%，断面收缩率超过25%。现代趋势是在保持良好韧性的同时，使强度超过2000MPa。特别是在弹簧钢丝行业，对断面收缩率的要求至少为35%，因此，确保合适的细晶组织是加工优化的第一步。
02
试验材料与方法
本试验研究的材料是54SiCr6弹簧钢，其化学成分见表1。钢样通过真空感应熔炼制备，铸锭加热至1100℃，随后锻造成90mm×250mm的坯料，然后热轧成24mm厚的板材并空冷。加工出直径20mm、长度130mm的圆柱形试样。
首先，在电热空气炉中进行常规软化退火。材料加热至略高于Ac1温度。软化退火步骤包括：以60℃/h加热至720℃，再以15℃/h加热至770℃并保温5h，以5℃/h缓慢冷却至720℃，再以25℃/h冷却至650℃，在炉内自然冷却至400℃，之后在空气中冷却至室温。整个加工过程持续27h，直至试样出炉。
其次，使用中频感应加热设备进行ASR处理。ASR工艺由PLC编程单元控制。通过焊接在加热试样表面的热电偶测量试样温度。ASR流程包括三个热循环（图1）。第一轮和第二轮循环是：以19℃/s的速率快速感应加热至820℃，在820℃保温15s，自然冷却至725℃，在725℃保温300s。第三轮循环中，725℃的保温时间延长至600s，然后试样冷却至室温。ASR处理直至自然冷却的总时长约为30min。
调质处理的加热在电热空气炉中进行。试样分别加热至810℃、830℃、850℃、870℃、890℃和910℃的奥氏体化温度，保温20min或40min，然后油淬。所有试样在400℃回火2h，随后空冷。
用于微观组织观察的试样经过抛光处理，最后一步使用粒径为0.05μm的胶体二氧化硅。用硝酸酒精溶液（98mL乙醇+2mL硝酸）腐蚀以显示微观组织。然后，使用SEM观察微观组织。
通过拉伸试验和硬度测量测试力学性能。根据维氏硬度标准，在每个试样上的5个点进行测量，载荷为10kg。按照标准，在室温下使用量程为250kN的Zwick Z250试验机，以0.75mm/min的速率对标距长度为60mm、直径为10mm的圆形拉伸试样进行测试。评估标准拉伸变形特性：0.2%屈服强度（Rp0.2）、抗拉强度（Rm）、断裂后总塑性延伸率（A）和断面收缩率（Z）。每种条件进行三次测试，并计算平均值。
03
结果与讨论
3.1淬火前的初始状态
热轧后空冷得到的层片状珠光体（LP）由层状的铁素体和渗碳体组成，见图2，硬度为290±7HV10，组织均匀。接下来的球化组织由这种LP制备而成。经过软化退火和ASR处理后，球状碳化物占主导地位，超过95%。软化退火产生粗球状珠光体（CGP），球状颗粒尺寸可达2μm（图3）。ASR处理得到细球状珠光体（FGP），其微观组织由密集分布、尺寸不超过0.5μm的球状渗碳体颗粒组成（图4）。ASR处理后硬度比软化退火后的更高，例如FGP硬度为224±5HV10，CGP硬度为207±1HV10。这两种热处理方式都满足54SiCr6钢退火获得球状渗碳体的交付标准。
初始组织的拉伸试验结果见表2。与CGP相比，FGP具有更高的屈服强度和抗拉强度，但延伸率较低，而其断面收缩率更好。LP的初始状态塑性较低，这在意料之中，但其极限强度最高。LP和FGP的屈服强度相同。
3.2调质处理后的微观组织
在810℃的最低淬火温度下保温20min和40min后，所有初始状态的组织中都含有铁素体。与CGP和FGP相比，LP试样中的铁素体含量较少。当淬火温度为830℃时，LP和FGP即使保温20min也能得到较好的淬火效果。这两种组织均由马氏体基体和未溶解的碳化物组成，见图5和图6。在较高温度下，LP和FGP的奥氏体化进程相同。未溶解的碳化物是非常细小的球状颗粒，均匀分布在基体中。在890℃保温20min或870℃保温40min时，碳化物完全溶解。
由软化退火得到的CGP的淬火进程有所不同。在长时间的软化退火过程中，球化和Ostwald熟化形成了粗大的碳化物颗粒。碳扩散有足够的时间扩散较长距离，使铁素体基体贫碳。铁素体充分奥氏体化的淬火温度为870℃，保温20min，这比之前的情况高出约40℃。在这种情况下，保温时间延长1倍可降低20℃的淬火温度。淬火行为的对比概述见表3。40℃的差异在碳化物溶解方面同样存在。在淬火后的CGP组织中观察到较大的未溶解碳化物，因为细小的碳化物首先溶解。因此，在910℃保温20min（图7）或890℃保温40min时，只能发现大的碳化物。在910℃保温40min时，可观察到完全奥氏体化且无未溶解碳化物的组织。显然，930℃保温20min可使碳化物完全溶解。
通过SEM观察，未发现淬火前不同初始状态的马氏体组织存在差异。由于可见度较差，无法对原始奥氏体晶粒尺寸进行定量测量。此外，使用多种腐蚀方法均未能成功。马氏体组织非常细小，且未观察到沿晶界的优先析出或偏析现象。LP、CGP和FGP淬火后的原始奥氏体晶粒尺寸大致相同，约为12μm。
在400℃回火过程中，渗碳体析出，分布在马氏体板条之间和内部。所有试样回火后的微观组织未发现差异，仅存在上述未溶解的碳化物，以及因淬火可能产生的铁素体。
3.3硬度测量
奥氏体化20min的硬度测量结果见图8，与微观组织观察结果相符。铁素体完全奥氏体化后的硬度相同，剩余碳化物的溶解并未导致硬度持续增加，所有初始状态均呈现这种趋势。所有初始条件下的最大硬度水平也相同，淬火后的最大硬度约为750HV10，400℃回火后约为550HV10。淬火保温时间为40min时，情况也是如此。
3.4调质处理后的拉伸试验性能
不同初始状态淬火后的屈服强度和抗拉强度与硬度结果并不处于同一水平。奥氏体化20min的拉伸试验结果见表4，奥氏体化40min的结果见表5。LP淬火后获得了最高的抗拉强度。有趣的是，即使在最高温度下，CGP淬火且保温20min时，抗拉强度也无法超过1850MPa。在870℃且保温时间延长1倍的情况下，CGP的抗拉强度达到1881MPa，这一数值与FGP或LP相当。
LP和FGP的屈服强度最高。总体而言，当淬火温度高于830℃时，LP的力学性能会变差。这可能意味着LP在奥氏体化过程中溶解速率过快，导致微观组织开始粗化。FGP中未观察到这种趋势。CGP的延伸率和断面收缩率高于LP，其延伸率则超过9.5%，断面收缩率约为34%-35%。FGP的塑性更好，延伸率超过9.5%，断面收缩率超过40%。淬火后的FGP同时具有较高的屈服强度和抗拉强度。从这一角度来看，FGP兼具LP和CGP的优点，且断面收缩率有显著提高。
基于上述结果，LP和FGP所需的淬火温度较低，细球状渗碳体的溶解速率几乎与层片状渗碳体一样快。CGP需要在较高的淬火温度下进行奥氏体化，因为其奥氏体化过程较慢。CGP中的渗碳体以大颗粒形式存在，颗粒间距较大，大颗粒溶解较慢，且碳需要扩散较长距离，这对淬火前的奥氏体化（温度/时间）提出了更高要求，在经济性上存在一定劣势。不过，CGP（软化退火态）可加工性更好，而通过ASR处理得到的FGP同样具备良好的可加工性。此外，较低的淬火温度以及获得更好机械性能的潜力，使得FGP成为珠光体组织中最适合作为淬火前初始组织的选择。
04
结论
本文研究了高强度弹簧钢54SiCr6中三种不同珠光体微观组织在淬火过程中的行为以及由此产生的力学性能。初始微观组织分别为热轧产生的LP、传统软化退火获得的CGP以及通过ASR工艺得到的FGP，然后对这些组织进行调质处理。
LP在奥氏体化过程中溶解速率非常快，830℃的淬火温度就足够。它能获得最高的屈服强度和抗拉强度，但塑性性能最差。
CGP溶解缓慢，因此需要更高的淬火温度。与其他微观组织相比，其应变特性较低，但延伸率较好。
FGP在淬火过程中的溶解情况与LP相似，830℃的淬火温度较为合适。其强度特性与LP相近，但延伸率优异，断面收缩率表现独特。
如果铁素体完全奥氏体化，淬火后的硬度测量无法区分不同的初始状态。SEM观察发现，只有CGP存在差异，LP和FGP淬火后的组织演变近乎相同。
