1前言韧性是材料力学性能中的重要指标，若材料经激光相变强化后在保持强度提高的情况下韧性仍 有所改善，将具有巨大的经济技术意义。对高速钢来说，将大幅度提高其耐磨性和延长高速钢工模 具的使用寿命。到目前为止，对钢铁材料激光相变强化层的韧性试验研究很少。本文试图采用维氏 硬度压痕结合声发射的方法来测试W18Cr4V钢激光相变强化层的韧性。2试验材料与方法试 验选用W18Cr4V高速钢，其化学成分（％）为：O·79C，18·7W，女ZCr，l· IV，0·025，0·of7P。原始热处理状态：1280C油淬，560CXlh3次回火 。试样尺寸25X25X25mm．表面粗糙度Rao．8pm。试样经丙酮清洗干净后喷涂黑色 有机涂料。根据计算及试验选择了表1中的参数，光束直径5mm，搭接扫描。选用HJ－4型1 ．5kw工业横流COZ激光器加热。用D／max－re阳极转靶X射线衍射仪进行相分析。用 JXA－840型扫描电镜及H－8o0型透射电镜对强化层的组织结构进行观察分析。用岛津显 微硬度计测量强化层的显微硬度。维氏硬度压痕结合声发射试验方法测量韧性的检测系统方框图如 图1所示。采用HV－10A型低负荷维氏硬度计，压头为四角金刚石压头，相对夹角为136” ，加荷系统有10～100N，保荷时间155，依次采用不同的负荷，在被检测区域上打出压痕 ，压人过程的声发射信号由耦合于试样表面的声发射探头接收，输入4010系列声发射仪处理、 显示、记录能量计数值En。同一载荷下测量10～15个点，计算出居中的至少5点En的平均 值瓦，每一试样选5个载荷。三随载荷P增加的规律基本呈线性关系，经线性回归后求出En—P 直线的斜率x，K即为韧性评价指标。K值越小．韧性越好、在扫描电镜上观察压痕周围裂纹的形 成及扩展情况。3结果与分析3．1强化层的相及组织结构分析高速钢常规淬火回火组织经激光相 变强化后得到了明显的细化，奥氏体晶粒度由7～8级提高到10一12级，相变区中不同部位晶 粒大小存在明显的差别，距表面一定深度处（0．互～0．15mm）晶粒最小。X射线相分析结 果表明：W18Cr4V钢激光相变强化层由马氏作（M）、残留奥氏体（Ar）及未溶碳化物组 成，Ar置随激光工艺多数的改变而改变，体积百分数一般在IO％～15％之间，与常规热处理 相比有明显减少。透射电镜观察发现相变强化层的马氏体的针状与板条状的混合组织（图2），针 状M的量较大；亚结构为李晶（图引．板条M的量较小，亚结构为密度较高的位错（图4）、Ar 分布在M团、未溶碳化物之间和M团之间（图5），或M针和板条之间（图4）。这与激光超快速 加热过程中碳化物的溶解及碳与合金元素的扩散情况所决定的奥氏体中碳及合金元素分布的不均匀 性有关，在富碳区形成大量针状M，在贫碳区形成少量的板条M。碳的扩散距离为数百urn数量 级’“，碳化物的溶解主要是以尖角——均匀溶化机制进行的，未溶碳化物是圆滑球状。3·2显 祆硬度强化层硬度分布曲线如图6所示，可以看出相变区硬度较基体有较大的提高，峰值硬化区硬 度达906HV0．1，回火带硬度最低。强化层经640t‘回火后硬度达到最高值1003H V0．l。激光加热淬火不仅显著提高强化层的硬度，而且还提高了高速钢的回火稳定性，红硬性 较常规淬火提高了80t左右。这是由于激光加“热淬火既能细化奥氏体组织，又能使大量碳化物 溶解，加之激光淬火冷速极大，致使碳化物来不及析出．淬火后有较多的碳和合金元素仍存在于M 和Ar中，提高了M及Ar的分解温度，从而提高了红硬性。正是由于M及Ar中碳及合金元素的 固溶度较高，回火时会有更多的合金碳化物弥散析出，显著增强二次硬化效果，使回火后的硬度明 显提高。但回火温度过高，强化层组织转变成回火索氏体，故硬度降低。3．3韧性测试结果及分 析用扫描电镜观察了压痕的变形及裂纹的扩展情况，结果表明，100N载荷下，仅有10号试样 压痕尖角处的碳化物被压裂（图7），裂纹属于Pamqvist型”’，经能谱成分分析可知此 碳化物中钨含量较大（图8），其它载荷下均无裂纹产生，只是压痕处的碳化物被压变形。W18 Cr4V钢经不同激光工艺参数处理后相变区韧性的测量结果见图人激光相变强化层经不同温度回 火后的韧性测试结果见图10。压痕结合声发射法测量材料的韧性，对脆性材料来讲是比较理想的 ，其瓦一产关系的线性规律很强，并且声发射能量累积计数与压痕总长度相对应，且成正比，即说 明En的大小反映裂纹形成和扩展时释放的弹性应变能大小，并可反映压痕裂纹的总长度大小。求 出瓦～P的斜率K，K值越大，说明材料在压痕的负荷增加时，裂纹扩展快，裂纹总长度大，即脆 性较大，韧性较差。K值主要取决于材料本身的结构、致密度、残余应力状况等，因此它能真实反 映材料的脆性［’］。由图9、图Ic结果可知，对于激光相变硬化层的水一P关系基本符合线性 规律，En计数由压头压入过程中的塑性变形而来，但少数相变层的En离散程度较大，这是由于 组织的微观不均匀性所造成的，如压头压到碳化物集中的地方，En要大一点，若压到大块碳化物 上，特别是鹤的碳化物。脆性倾向增加。As增加，一旦压裂并扩展，则En计数增幅较大。即使 如此，无一P仍符合线性规律。即此方法对激光相变强化层的韧性测试是适用的。故经线性回归处 理得到其斜率K，列人表1及图10中。由K值可知2号、4号、12号及11号试样相变区韧性 较好，与基体相比有明显提高，这是由于激光相变强化时的快速加热和冷却使组织得到了细化，使 晶界和相界增加，阻止裂纹扩展，这样使得相变层在具有较高硬度的同时具有较好的韧性；加热过 程中碳化物的大量溶解使未溶碳化物呈圆滑球状，应力集中下降，不利于裂纹的扩展；又由于相变 层中马氏体间不连续分布的残留奥氏体和碳化物周围的残留奥氏体膜对应力集中的松弛作用，可阻 止裂纹的扩展，故韧性提高。由图10和图6可知，激光相变强化层经640”C回火后韧性最好 ，且硬度最高，得到最佳的强韧配合，其原因是激光加热过程中大量碳及合金元素向高温奥氏体的 溶入使快冷淬火后的马氏体及残留奥氏体中碳及合金元素的含量增加，提高了其回火稳定性；经6 40C回火后，淬火马氏体及残留奥氏体的分解产生二次硬化和二次淬火现象，拆出高度弥散的碳 化物，从而降低马氏体的畸变能，消除了残余应力，故在硬度提高的同时韧性仍有很大的改善。但 若回火温度过高，则因碳化物的聚集和长大使其韧性降低。3结论问）W18Cr4V高速钢激光 相变强化后晶粒得到了明显的细化，其组织为马氏体、未溶碳化物及残留奥氏体，残留奥氏体较常 规淬火少，体积含量约10％～15％。（2）维氏硬度压痕结合声发射法测量高速钢激光相变强 化层的韧性是适用的，永一P的斜率K为韧性评价指标。（3）W18Cr4V高速钢激光相变强 化后其韧性较常现淬火回火有较大改善的原因是：①组织的细化使裂纹产生和扩展困难；②残留奥 氏体的韧化作用，使强化层应力得到松弛调未落碳化物呈圆滑球状，使应力集中下降，阻止裂纹扩 展，故韧性提高。（4）激光相变强化层经640℃回火后韧性最好。其原因是激光相变强化组织 由于合金元素的进一步溶入使其回火稳定性提高，且经回火后强化层内析出高度弥散的碳化物使淬 火马氏体畸变能下降，内部拉应力消除，使应力集中下降，从而韧性得到进一步提高。W18Cr 4V高速钢激光相变强化层的韧性@陈传忠$山东工业大学!济南250014@孔翠荣$山东工 业大学!济南250014@曹怀华$山东工业大学!济南250014@于家洪$山东工业大学 !济南250014@王世清$山东工业大学!济南250014W18Cr4V高速钢;;激光 相变强化利用X射线、电镜及声发射技术等手段研究了W18Cr4V高速钢激光相变强化层的组 织和性能。声发射测试表明，激光相变强化层的韧性较常规淬火回火的有明显的提高，且在640℃回火后有最佳的强韧化效果。本文对其强韧化机制进行了分析讨论。1陈传忠.高速钢激光相变强化机理、组织及性能研究.山东工业大学硕士学位论文,1992,6
2 VansACetal.ActaMetall.1976,24:936
3王祖荫.声发射技术基础.济南:山东科学技术出版社的韧性测试是适用的。故经线性回归处理得 到其斜率K，列人表1及图10中。由K值可知2号、4号、12号及11号试样相变区韧性较好 ，与基体相比有明显提高，这是由于激光相变强化时的快速加热和冷却使组织得到了细化，使晶界 和相界增加，阻止裂纹扩展，这样使得相变层在具有较高硬度的同时具有较好的韧性；加热过程中 碳化物的大量溶解使未溶碳化物呈圆滑球状，应力集中下降，不利于裂纹的扩展；又由于相变层中 马氏体间不连续分布的残留奥氏体和碳化物周围的残留奥氏体膜对应力集中的松弛作用，可阻止裂 纹的扩展，故韧性提高。由图10和图6可知，激光相变强化层经640”C回火后韧性最好，且 硬度最高，得到最佳的强韧配合，其原因是激光加热过程中大量碳及合金元素向高温奥氏体的溶入 使快冷淬火后的马氏体及残留奥氏体中碳及合金元素的含量增加，提高了其回火稳定性；经640 C回火后，淬火马氏体及残留奥氏体的分解产生二次硬化和二次淬火现象，拆出高度弥散的碳化物 ，从而降低马氏体的畸变能，消除了残余应力，故在硬度提高的同时韧性仍有很大的改善。但若回 火温度过高，则因碳化物的聚集和长大使其韧性降低。3结论问）W18Cr4V高速钢激光相变 强化后晶粒得到了明显的细化，其组织为马氏体、未溶碳化物及残留奥氏体，残留奥氏体较常规淬 火少，体积含量约10％～15％。（2）维氏硬度压痕结合声发射法测量高速钢激光相变强化层 的韧性是适用的，永一P的斜率K为韧性评价指标。（3）W18Cr4V高速钢激光相变强化后其韧性较常现淬火回火有较大改善的原因是：①组织的细化使裂纹产生和扩展困难；②残留奥氏体的韧化作用，使强
More abstracts about the W18Cr4V高速钢激光相变强化层的韧性