2.3 超高强度硼钢板相变测试

2.3.1 测试方法

为了研究冷却路径对硼钢板相变的影响，进行了考虑不同冷却速率及保温温度的热膨胀试验。热膨胀试验是研究钢材固态相变的最有效的技术手段之一。它通过实时测量试样尺寸随温度的变化来监控其相变情况。该试验所用仪器为DIL805高温相变仪。硼钢板试样的尺寸为1.4mm×5mm×10mm，其中1.4mm为硼钢板的板材厚度，10mm为沿着轧制方向切取的长度，试样通过线切割切取。将直径为0.2mm的热电偶焊接在尺寸为5mm×10mm的平面中央，记录并通过反馈控制试样的温度。

虽然不同钢厂生产的硼钢板的化学元素有一定的不同，但硼钢板总体的相变规律和趋势基本是一致的。为了全面研究从奥氏体到马氏体、贝氏体及铁素体的相变过程，根据Turetta提出的CCT图，分别选择了50K/s、10K/s和2K/s的冷却速率。试验过程中，试样以15K/s的加热速率加热到1173K，并保温5min使奥氏体组织均匀化，随后分别以50K/s、10K/s和2K/s的冷却速率降温至室温。

为了研究不同的保温温度对硼钢板相变的影响，根据马氏体、贝氏体及铁素体相变的不同温度范围选择了不同冷却速率下的多种保温温度。冷却速率为2K/s时，保温温度分别选择1073K、1023K、973K、923K和873K；冷却速率为10K/s时，保温温度分别选择1073K、973K、873K、823K、723K、623K、573K和473K；冷却速率为50K/s时，保温温度分别选择773K、673K、573K、523K和473K。全部试样均在保温温度停留5min。保温阶段完成后，试样继续以保温前的冷却速率淬火到室温（图2-11）。

为了确定不同冷却路径热处理后硼钢板试样的微观组织，从热膨胀试样的中部切取小试样，进行了金相及硬度试验。切取2mm×2mm的小块并使用环氧树脂镶样后，分别用500目（25μm）、1200目（10μm）和2000目（6.5μm）的砂纸进行打磨，随后分别用3μm和1μm颗粒大小的金刚石研磨膏进行抛光。用4%浓度的硝酸酒精进行腐蚀后通过Neophot30光学显微镜观察获得试样的微观组织；并用MH-3显微硬度计测量试样的维氏硬度（HV），载荷为0.2kg，在厚度方向上随机选取三个位置测量硬度，取其平均值作为最终的结果。

2.3.2 相变判断

材料在发生相变时，晶格结构的改变将导致试样的体积变化。在同样的温度下，奥氏体的比容最小。当发生相变时，热膨胀（DIL）曲线上会出现相应的波动，波动的起始点和结束点即表示相变的开始和结束温度，结合材料的热胀冷缩效应和相变膨胀，相应的相变膨胀量也可以在DIL曲线获得。因为相变的开始和结束温度等都是通过在DIL曲线上做切线后获得，故将该处理方法定义为切线法。

切线法如图2-12所示，图中曲线是冷却速率为10K/s并在623K保温5min时硼钢板试样的热膨胀试验结果。DIL曲线可以分割成多个线性和非线性段。

当试样从1173K降温时，材料处于纯奥氏体状态（线性段拟合为切线 a ），当1003K左右铁素体出现后，曲线的斜率随着试样温度的降低而减小，这说明了铁素体相变的开始，一定量的奥氏体已转变为铁素体。当温度进一步降低到913K左右时，试样的长度变化量和温度又变为线性相关（线性段拟合为切线 b ），即试样中奥氏体和铁素体的含量保持不变，试样随着温度的降低而线性收缩直到贝氏体相变开始。随着温度的进一步降低，曲线的斜率也再次减小，即奥氏体开始向贝氏体转变。温度低于713K左右后，随着贝氏体相变的结束，DIL曲线再次恢复线性（线性段拟合为切线 c ）。当温度降低到673K左右时，DIL曲线变为非线性，标志着马氏体相变的开始。随后，温度降低到623K并在此温度保温，从图2-12中可以看出，马氏体相变在此保温阶段结束。

相变结束时温度处的切线与DIL曲线的 y 轴坐标的差值即该相变导致的相变膨胀量（图2-12）。但是相变是在不同的温度下发生的，因此需要将不同温度时的膨胀量转换到统一的单位下。图2-13所示为冷却速率分别为50K/s、10K/s和2K/s时硼钢板的DIL曲线。铁素体、贝氏体及马氏体相变的膨胀量分别是 L _F =6.3μm、 L _B =4.4μm和 L _M =9.0μm。根据图2-13虚线部分可知，发生单一相变时，铁素体、贝氏体及马氏体的相变膨胀量分别是 L _F （全部）=40.2μm、 L _B （全部）=32.8μm和 L _M （全部）=58.4μm。因此，将贝氏体的膨胀量转换为以铁素体表示的统一单位时，可表述为 L ′ _B / L _B = L _B （全部）/ L _F （全部），转换后的贝氏体膨胀量为 L ′ _B =3.6μm。同样的，将马氏体的膨胀量转换为以铁素体表示的统一单位时，可表述为 L ′ _M / L _M = L _M （全部）/ L _F （全部），转换后的马氏体膨胀量为 L′ _M =13.1μm。冷却速率10K/s、保温温度623K的冷却路径下，铁素体、贝氏体及马氏体的比例为 L _F ∶ L ′ _B ∶ L ′ _M =6.3∶3.6∶13.1，即该冷却路径下的相组成为27%的铁素体、16%的贝氏体和57%的马氏体。其他条件下的相组成也可以通过该切线法确定。