纳米贝氏体钢的组织调控方法及其获得的纳米贝氏体钢

摘要

本发明公开一种纳米贝氏体钢的组织调控方法，包括：对目标钢材料进行奥氏体化；在第一温度下对奥氏体化后的目标钢材料进行第一等温转变，直至目标钢材料的贝氏体生成量达到第一目标比例；在第二温度下对第一等温转变后的目标钢材料进行第二等温转变，直至目标钢材料的贝氏体生成量达到第二目标比例。本发明还公开利用前述纳米贝氏体钢的组织调控方法获得的纳米贝氏体钢。通过对纳米贝氏体尺寸及该尺寸对应的组织含量进行控制，从而对材料性能进行精确的把控，以满足不同领域对材料性能的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学与工程技术领域，特别涉及一种纳米贝氏体钢的组织调控方法及其获得的纳米贝氏体钢。

背景技术

近年来，纳米贝氏体材料以其高的强度、较高的韧性，优异的耐磨性和抗滚动接触疲劳性能，得到了材料研究学者和机械制造领域企业的高度关注。众所周知，组织结构决定材料性能，对于纳米贝氏体材料，贝氏体的尺寸是决定材料强度的关键因素，同时贝氏体尺寸也影响材料的塑韧性。在纳米晶材料的开发中，很多研究人员通过引入较为粗大尺寸的晶粒，使得晶粒尺寸呈现双峰分布或多尺寸分布，来保证材料的塑性和韧性。

在关键零部件轴承、齿轮等领域，对材料性能的要求很高，不仅是强度，韧性指标更为重要，尤其是在有冲击载荷的使用工况下，零部件的高韧性成为决定其使用寿命的关键因素。因此，在保证纳米贝氏体钢强度的同时，进一步的提高材料的韧性指标，不仅会提高关键零部件的使用安全性，也能够进一步扩大纳米贝氏体钢的应用范围。因此，贝氏体尺寸的调控是保证强度前提下提高韧性的有效途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米贝氏体钢组织调控方法，在设计贝氏体相变工艺时，根据不同的要求，将不同尺寸的纳米贝氏体进行不同比例的结合，能够对材料的性能进行精确的把控，从而满足不同领域对材料性能的要求。

本发明的技术方案如下：本发明提供一种纳米贝氏体钢的组织调控方法，包括：

步骤S1：对目标钢材料进行奥氏体化；

步骤S2：在第一温度下对奥氏体化后的目标钢材料进行第一等温转变，直至目标钢材料的贝氏体生成量达到第一目标比例；第一温度依据第一目标尺寸和目标钢材料的奥氏体的化学成分含量计算得到，且第一温度高于目标钢材料的马氏体转变温度，其中，对贝氏体尺寸及该尺寸对应的组织含量进行控制，贝氏体尺寸表达式：

贝氏体尺寸表达式中T为贝氏体等温转变温度，ΔG^γ→α为贝氏体相变驱动力，是在T温度时奥氏体的屈服强度，t为贝氏体板条厚度，f为温度、相变驱动力以及强度的函数；以及

步骤S3：在第二温度下对第一等温转变后的目标钢材料进行第二等温转变，直至目标钢材料的贝氏体生成量达到第二目标比例；其中第二温度依据第二目标尺寸和第一等温转变后的剩余奥氏体的化学成分含量获得，且第二温度高于目标钢材料的马氏体转变温度。

可优选的是，第一目标尺寸为30nm至80nm，第二目标尺寸大于第一目标尺寸且小于或等于100nm。

可优选的是，第一目标比例和第二目标比例为体积分数，第一目标比例为30％～50％，第二目标比例大于40％。

可优选的是，对目标钢材料加热至1050℃奥氏体化保温0.5h后进行奥氏体化，预设第一目标尺寸t1为35nm，第二目标尺寸t2为60nm，第一目标比例为40％，第二目标比例为50％；获得第一温度为210℃，在210℃等温32小时后，贝氏体的生成量达到40％；检测生成量达到40％时剩余未转变奥氏体中的C含量，进一步获得第二温度为310℃，升温至310℃进行第二等温转变3小时，直至达到第二目标比例。

可优选的是，所述目标钢材料为高碳钢，高碳钢的碳质量分数大于0.6％。

可优选的是，对目标钢材料进行奥氏体化，包括：将目标钢材料加热至目标钢材料的奥氏体化温度，保温0.5h-1h。

可优选的是，采用盐浴方法进行第一等温转变和/或者第二等温转变。

可优选的是，第一等温转变后的剩余奥氏体的化学成分含量通过X射线衍射法得到。

另一方面，本发明还提供一种利用前述纳米贝氏体钢的组织调控方法获得的纳米贝氏体钢。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明实施例提供的贝氏体钢的组织调控方法，在基于第一目标贝氏体尺寸和对应的和目标钢材料的奥氏体的化学成分含量计算得到的第一温度下进行第一等温转变，直至贝氏体生成量达到第一目标比例，在基于第二目标尺寸和第一等温转变后的剩余奥氏体的化学成分含量计算得到第二温度进行第二等温转变，直至贝氏体生成量达到第二目标比例，对纳米贝氏体尺寸及该尺寸对应的组织含量进行控制。同时，该方法也同时达到了缩短纳米贝氏体相变时间的目的。再者本发明根据不同的要求，将不同尺寸的纳米贝氏体进行不同比例的结合，能够对材料的性能进行精确的把控，从而满足不同领域对材料性能的要求。

附图说明

图1是本发明纳米贝氏体钢的组织调控方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明涉及关键零部件轴承、齿轮等领域，尤其是在使用过程中有冲击载荷的工况下，零部件在保持高强度的前提下，还需要保持高韧性以提高使用寿命。因此，在保证纳米贝氏体钢强度的同时，进一步提高材料的韧性指标，不仅会提高关键零部件的使用安全性，也能够进一步提高部件的使用寿命。

材料的性能是工艺设计的前提，而贝氏体的尺寸是在决定材料的性能方面起关键性的作用。考虑到在纳米贝氏体材料中，较小的尺寸掌控的是强度，较大的尺寸掌控的是塑韧性。因此，在设计此领域的纳米贝氏体材料时，可以将不同尺寸的纳米贝氏体进行不同比例的结合，通过较小尺寸的材料，保证材料的强度，同时，在组织中生成一定比例的较粗大尺寸的组织，以保证材料的塑韧性。

因此，在设计贝氏体相变工艺时，根据不同的要求，将不同尺寸的纳米贝氏体进行不同比例的结合，能够对材料的性能进行精确的把控，从而满足不同领域对材料性能的要求。

基于此，本发明提供了一种贝氏体钢组织调控方法，包括：对目标钢材料进行奥氏体化；在第一温度下对奥氏体化后的目标钢材料进行第一等温转变，直至目标钢材料的贝氏体生成量达到第一目标比例；其中，第一温度依据第一目标尺寸和目标钢材料的奥氏体的化学成分含量计算得到，且第一温度高于目标钢材料的马氏体转变温度；在第二温度下对第一等温转变后的目标钢材料进行第二等温转变，直至目标钢材料的贝氏体生成量达到第二目标比例；其中，第二温度依据第二目标尺寸和第一等温转变后的剩余奥氏体的化学成分含量计算得到，且第二温度高于目标钢材料的马氏体转变温度。

需要说明的是，在本发明中，通过建立两相化学自由能差、过冷奥氏体强度以及温度三个参数与贝氏体尺寸间的关系，以确定不同目标尺寸对应的等温温度。

具体的，参考表达式(1)，为本发明人拟合得到的贝氏体尺寸表达式：

表达式(1)中T为贝氏体等温转变温度，ΔG^γ→α为贝氏体相变驱动力，是在T温度时奥氏体的屈服强度，t为贝氏体板条厚度，f为温度、相变驱动力以及强度的函数。

参考表达式(2)，为本申请在贝氏体等温转变温度T时奥氏体的屈服强度的表达式：

T_r＝T-25（2)

其中，w为材料中各元素的质量分数(％)。w的下标C、Si、Cr、Mo和N分别代表碳、硅、铬、钼和氮的元素符号。Tr代表等温温度与室温的温差。

ΔG^γ→α相变驱动力可以根据材料中各元素化学成分含量、奥氏体晶粒尺寸以及具体的温度得到。本领域技术人员可以通过对应的表达式进行计算。例如，在MUGG83模型中,输入材料的化学成分含量，以及对应的奥氏体晶粒尺寸等参数，即可以获得不同温度下的ΔG^γ→α相变驱动力结果。

结合上述表达式，便可以计算出任意成分任意尺寸与等温转变温度T之间的关系。

第一目标比例和第二目标比例为贝氏体生成量的质量比例或者体积分数，本发明实施例以体积分数为例进行说明。其中，第一目标尺寸贝氏体生成量为第一目标比例，第二目标尺寸贝氏体生成量为第二目标比例与第一目标比例的差。

在本发明中，可以通过不同的检测方法确定贝氏体生成量，如利用膨胀仪测定相变动力学曲线，利用金相法标定贝氏体生成含量等。具体的，可以根据相变动力学曲线，可以得到贝氏体生成量与时间之间的关系，进而通过对应的时间参数确定等温时间。

可以看出，在基于第一目标贝氏体尺寸和对应的和目标钢材料的奥氏体的化学成分含量计算得到的第一温度下进行第一等温转变，直至贝氏体生成量达到第一目标比例，在基于第二目标尺寸和第一等温转变后的剩余奥氏体的化学成分含量计算得到第二温度进行第二等温转变，直至贝氏体生成量达到第二目标比例，对纳米贝氏体尺寸及该尺寸对应的组织含量进行控制，从而对材料性能进行精确的把控，以满足不同领域对材料性能的要求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。

为便于说明，本发明一实施例首先提供了一种纳米贝氏体钢的组织调控方法，包括：

步骤S1：对目标钢材料进行奥氏体化；

目标钢材料可以为钢锭，也可以为待处理的轴承零件。轴承零件可以包括轴承内圈、轴承外圈和滚动体，滚动体与轴承内圈的滚道和轴承外圈的滚道相匹配。

在实施例中，目标钢材料为高碳钢，高碳钢的碳质量分数大于0.6％。在其他实施例中，目标钢材料还可以为其他种类钢材料，本发明在此不做限定。

具体的，在本步骤中，将目标钢材料加热至目标钢材料的奥氏体化温度，保温0.5h～1h。其中，保温时长可以根据材料成分及尺寸的不同进行不同的设置。

其中，针对不同的目标钢材料，对应不同的奥氏体化温度。在实施例中，针对高碳钢，对应的奥氏体化温度为800℃～1200℃。因此，在本步骤中，将目标钢材料加热至800℃～1200℃，保温0.5h～1h，以进行奥氏体化处理。

步骤S2：在第一温度下对奥氏体化后的目标钢材料进行第一等温转变，直至目标钢材料的贝氏体生成量达到第一目标比例；其中，第一温度依据第一目标尺寸和目标钢材料的奥氏体的化学成分含量计算得到，且第一温度高于目标钢材料的马氏体转变温度；

其中，在初始的目标钢材料中，对应的化学成分含量是已知的，在奥氏体化后，默认目标钢材料完全奥氏体化，对应的初始的目标钢材料的化学成分含量即为奥氏体组织的化学成分含量。

第一目标尺寸和第二目标尺寸为组织的贝氏体尺寸，可以根据不同领域的不同性能要求进行设置。在本实施例中，可以设置第一目标尺寸为30nm至80nm。其中，较小的尺寸掌控的是强度，尺寸越小，强度越高，相应的，这一尺寸的塑韧性会随之减小。而较大的尺寸掌控的是塑韧性，尺寸越大，塑韧性越高，相应的，这一尺寸的强度会随之减小。

依据第一目标尺寸和目标钢材料的化学成分含量，可以计算得到第一温度。并且，所计算得到的第一温度高于目标钢材料的马氏体转变温度，当计算得到的第一温度低于目标钢材料的马氏体转变温度时，说明计算过程中的参量有适应性误差，因而不适用于本方案提出的方法。

其中，第一目标尺寸小于第二目标尺寸。这是由于，根据目标尺寸与对应的等温温度的关系，尺寸越小，对应的等温温度越低。通过设置第一目标尺寸小于第二目标尺寸，使得第一等温转变至第二等温转变过程为一个升温过程，从而能够提高元素的扩散速度，加快原有形核位置的形核速率，提升已有贝氏体铁素体的自催化形核效率，从而达到加速相变的目的。

第一目标比例和第二目标比例为贝氏体生成量的体积分数。对应的具体数值可以根据不同领域的不同要求进行设置。具体的，由于第一目标尺寸为较小的尺寸，对应的第一目标比例越大，对应第一目标尺寸的贝氏体含量越大，材料的强度越高，相应的，其塑性会对应降低。在实际应用中，可以根据不同的性能要求，对应的目标尺寸大小，确定该目标尺寸的具体含量，从而确定该比例的具体数值。在本实施例中，第一目标比例可以为30％～50％。

在一个示例中，可以通过膨胀仪确定贝氏体生成量，从而进一步记录对应的等温时间，当相同条件下再次进行该等温转变过程时，即可通过对应的等温时间确定贝氏体生成量。

具体的，在本步骤中，可以采用盐浴方法进行第一等温转变，直至贝氏体生成量达到第一目标比例。

步骤S3：在第二温度下对第一等温转变后的目标钢材料进行第二等温转变，直至目标钢材料的贝氏体生成量达到第二目标比例；其中，第二温度依据第二目标尺寸和第一等温转变后的剩余奥氏体的化学成分含量计算得到。

其中，在进行了第一等温转变后，由于部分奥氏体已经转化为第一目标尺寸的贝氏体，因此，本步骤中化学成分含量为第一等温转变后的剩余奥氏体的化学成分含量。具体的，可以通过X射线衍射法得到剩余奥氏体的化学成分含量。其中，贝氏体化的转变过程中，多数的化学成分含量是保持稳定不变的，但是，由于贝氏体铁素体里的C固溶量比较低，在贝氏体相变过程中，生成的贝氏体铁素体中过饱和的C会迅速配分至相邻的未转变奥氏体中，使得剩余未转变奥氏体内的C含量逐渐提高。在计算第二温度时，可以通过X射线衍射法得到剩余奥氏体的C化学成分含量。

第一目标尺寸和第二目标尺寸根据不同领域的不同性能要求进行设置。在本实施例中，可以设置第二目标尺寸小于或等于100nm。其中，较小的尺寸掌控的是强度，尺寸越小，强度越高，相应的，这一尺寸的塑韧性会随之减小。而较大的尺寸掌控的是塑韧性，尺寸越大，塑韧性越高，相应的，这一尺寸的强度会随之降低。其中，由于本实施例中第一目标尺寸小于第二目标尺寸，使得第一等温转变至第二等温转变过程为一个升温过程，从而极大地缩短了相变时间，提高了工艺效率。

依据第二目标尺寸和第一等温转变后的剩余奥氏体的化学成分含量，可以计算得到第二温度。并且，计算得到的第二温度大于目标钢材料的马氏体转变温度，当计算得到的第二温度低于目标钢材料的马氏体转变温度时，说明计算过程中的参量有适应性误差，因而不适用于本发明提出的方法。

第二目标比例对应的具体数值可以根据不同领域的不同要求进行设置。具体的，由于第二目标尺寸为较大的尺寸，在第一目标比例确定的前提下，第二目标比例越大，对应第二目标尺寸的贝氏体含量越大，材料的塑性越高，相应的，其强度会对应降低。在实际应用中，可以根据不同的性能要求，对应的目标尺寸，确定该目标尺寸的具体含量，从而与第一目标比例相加，确定该比例的具体数值。在本实施例中，第二目标比例大于40％，且小于或等于70％，具体的，第二目标比例可以为60％。

在一个示例中，可以通过膨胀仪确定贝氏体生成量，从而进一步记录对应的等温时间，当相同条件下再次进行该等温转变过程时，即可通过对应的等温时间确定贝氏体生成量。由于本实施例中纳米贝氏体相变时间极大缩短，在第二等温转变过程中，等温时长小于7h。

具体的，在本步骤中，可以采用盐浴方法进行第二等温转变，直至贝氏体生成量达到第二目标比例。

可以看出，在基于第一目标贝氏体尺寸和对应的和目标钢材料的奥氏体的化学成分含量计算得到的第一温度下进行第一等温转变，直至贝氏体生成量达到第一目标比例，在基于第二目标尺寸和第一等温转变后的剩余奥氏体的化学成分含量计算得到第二温度进行第二等温转变，直至贝氏体生成量达到第二目标比例，对纳米贝氏体尺寸及该尺寸对应的组织含量进行控制，从而对材料性能进行精确的把控，以满足不同领域对材料性能的要求。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，可以进一步设置第三等温转变，从而实现三个不同尺寸结合的纳米贝氏体材料。而在进行对应的工艺设计时，优选采用目标尺寸逐步变大的顺序进行对应温度的等温，以使贝氏体相变过程为一个逐步升温的过程，从而能够进一步缩短工艺时间。

为便于说明，本发明进一步提供一个具体的示例。

示例1：一种纳米贝氏体钢，其化学主要成分质量百分比为：Fe-0.85C-1.43Cr-1.48Si-0.52Mn-0.28Ni，wt.％。实验测得在1050℃奥氏体化保温0.5h后，其马氏体转变温度M_s为170℃。设定目标尺寸t为35nm，通过本发明提供的贝氏体尺寸表达式和得出等温转变温度为210℃，通过膨胀仪测得其在210℃直接等温～96h后相变基本停止，获得的纳米贝氏体组织平均尺寸为39nm。显然，本发明中给出的计算方法是可靠的。经过测定，等温96h后纳米贝氏体轴承钢的韧性为37J/cm²。

仍旧针对该纳米贝氏体钢，具体的工艺过程为：

预设第一目标尺寸t1为35nm，第二目标尺寸t2为60nm，第一目标比例为40％，第二目标比例为50％。计算得出第一温度为210℃，通过对210℃等温的相变动力学曲线进行分析，发现在210℃等温32h后，贝氏体的生成量达到40％。

因此，将实验材料加热至1050℃奥氏体化保温0.5h后，在210℃等温32h后，贝氏体的生成量达到40％。

检测生成量达到60％时剩余未转变奥氏体中的C含量，进一步计算得出第二温度为310℃，因此，升温至310℃进行第二等温转，直至达到第二目标比例。经过测定，采用这种该工艺处理后纳米贝氏体轴承钢的韧性为75J/cm²。

本实施例下，通过透射电镜观察，发现获得的纳米贝氏体平均厚度为58nm，其中贝氏体尺寸在42nm和64nm的比例最大。

并且，第一温度下相变时间为32h，第二温度下相变所需时间仅为3h，累计转变时间为35h，大大小于普通工艺中的转变时间。

在本发明另一实施例中，还提供了一种纳米贝氏体钢，纳米贝氏体材料采用上述实施例的方法得到。

纳米贝氏体材料可以采用前述实施例的形成方法所形成，对本实施例纳米贝氏体材料的具体描述，可参考前述实施例中的相应描述，在此不再赘述。

需要说明的是，在本发明中，具体的数值范围中，端点值同样包括在本发明的范围之内。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。