ASTM 4145H钢中的白块组织

彭努渊 李玉明

(河南中原特钢股分有限公司，河南454685)

我公司生产的钻具用钢ASTM 4145H在进行力学性能试验时，发现冲击韧性不稳定，其韧性值时好时坏。为寻求原因进行了多次试验分析：第一次选取了∅159 mm，炉号为217089和217745的两炉冲击韧性相差较大的锻件进行对比分析；第二次对另一支∅203 mm的锻件同一横截面不同位置的力学性能、金相组织进行了对比分析。

1 试验

1.1 试样的选取及化学成分

在经调质热处理后冲击功有明显区别的两炉锻件上选取试样，其调质热处理工艺为840℃淬火，580℃回火。

两炉锻件的化学成分见表1。

表1 化学成分(质量分数，%)Table 1 The chemical composition (mass fraction, %)

从表1可看出其化学成分均在要求的合格范围内。

1.2 力学性能

拉伸试样及冲击试样的取样位置均为∅115 mm处，其检测结果见表2。

从表2可看出两炉屈服强度和抗拉强度相差较小，延伸率和面缩也接近，冲击韧性则相差较大。

表2 力学性能Table 2 The mechanics performance

1.3 金相观察

非金属夹杂物检测：取217089炉的冲击试样T-14和217745炉的T-30，磨制抛光后按照GB/T10561—2005评定非金属夹杂物，结果见表3。

从表3可看出，两炉试样的非金属夹杂物级别基本相同。

金相组织观察：所取试样T-14和T-30经4%硝酸酒精腐蚀后观察，两试样的显微组织有明显的区别。T-14的金相组织中除回火索氏体外，还有较多的白块组织，见图1所示。而T-30的金相组织则大部分是回火索氏体和少量的白块组织，见图2所示。

白块组织的外形不规则，界面轮廓不清，白块内有隐约可见的点状、条状析出物。从其形态来判断白块组织是区别于铁素体和马氏体的贝氏体组织。有关资料[1]介绍，这种贝氏体有的属于上贝氏体组织，有的属于粒状贝氏体组织。

表3 非金属夹杂物Table 3 Non metallic inclusions

图1 T-14金相组织(500×) 图2 T-30金相组织(500×) Figure 1 T-14 microstructure Figure 2 T-30 microstructure

另外，在显微镜100倍下观察，白块组织有呈条带分布的特征，见图3。为验证此结论，分别找出冲击韧性好与冲击韧性差的两组试样，每组五个试样进行观察对比，发现冲击韧性差的试样均存在不同程度的带状偏析，而冲击韧性好的试样带状偏析程度相对较轻。

晶粒度观察：两试样经饱和的苦味酸煮沸后观察其晶粒度，T-14的晶粒度为8～9级，T-30的晶粒度为8.5～9.5级。晶粒度差别不大，这说明两个试样冲击韧性的不同并非由晶粒度造成。

从以上的观察分析认为，造成两炉锻件冲击功明显差别的主要原因是白块组织即贝氏体组织。白块组织的形成与钢中带状偏析有关，同时通过对生产过程的调查及分析判断白块组织的形成主要与淬火冷却速度有关。

2 不同位置的对比分析

为进一步证实白块组织的形成原因 ，在∅203 mm的ASTM 4145H钻具同一横截面的外、中、内三个位置处，分别取试样进行力学性能测试和金相组织观察。

2.1 力学性能

由于工件带一∅70 mm内孔，所以试样分别取自于外边缘，二分之一壁厚和内壁处，力学性能测试结果见表4。

从表4可看出，从外到内的整体力学性能指标均有所下降。

2.2 金相观察

显微镜下观察外边缘位置的试样金相组织全部是回火索氏体，1/2壁厚处的组织除回火索氏体外，还有少量的白块组织(回火贝氏体)，内部试样的白块组织(回火贝氏体)则更多一些，见图4、图5、图6。以上说明白块组织的多少与所在的位置有关，另外白块组织仍呈带状分布特征。

表4 力学性能Table 4 The mechanics performance

图3 带状组织(100×) 图4 外边缘组织(500×) Figure 3 Banded structure Figure 4 The outer edge structure

图5 1/2壁厚组织(500×) 图6 内壁组织(500×) Figure 5 The structure at 1/2 wall thick Figure 6 Inner wall structure

3 分析与讨论

从以上分析可看出，冲击功差别较大的两炉试样取样位置完全一致，夹杂物、晶粒度、化学成分均相差不大，那么两试样区别较大的就是白块组织数量的多少，换言之就是说白块组织是影响其冲击韧性的主要原因。白块组织多，其冲击韧性就低，白块组织少，其冲击韧性就高。另外从同一横截面不同位置进行的力学性能测试和金相组织观察同样可以证明，白块组织多的部位力学性能差这一结论。

由于是大件调质热处理，在淬火冷却时，工件心部位置的冷却速度肯定比表面的冷却速度慢，表面区域进行了马氏体组织转变，而心部区域则落在了贝氏体转变区，从而得到了贝氏体组织。

上述的白块组织在工件心部和中部位置存在，有数量上的差别而且还呈条带分布的特征，说明原始组织中存在有一定的带状偏析。有资料介绍[2]，原始状态的成分偏析和带状组织也是形成白块组织的重要原因。原始状态带状组织严重，在热处理时，铁素体带在加热时虽有碳的扩散，但仍属于低碳区，低碳奥氏体区易形成贝氏体组织，即所指的白块组织。贝氏体性能决定于贝氏体的本质、形态、大小、分布状态及贝氏体与其它组织的相对量。上贝氏体碳化物的分散度小，分布又不均匀，以致性能很差，其强度甚至低于同一温度下形成的细珠光体，韧性更低。而粒状贝氏体的强度主要决定于粒状贝氏体中的“小岛”，无论是奥氏体或“M-A”，还是奥氏体的分解产物都起着复相强化的作用。这些组织的综合因素最终导致其“白块组织”对力学性能的影响[3]。

4 结论与建议

造成ASTM 4145H钢力学性能差的主要原因是由于组织中存在较多的“白块组织”，即贝氏体组织。贝氏体的本质、形态、大小、分布状态及贝氏体与其它组织的相对量影响着其力学性能。为了使力学性能达到技术要求，根据“白块组织”的形成原因，建议生产上可通过减少原始状态的成分偏析和带状组织，热处理时加快冷却速度，尽量避开贝氏体转变区域，使“白块组织”的量降到最低程度，从而提高钢的整体力学性能。

[1] 周鹿宾，陈产海.40CrNiMo钢白块组织及其对性能的影响.理化检验，1982，(04)：8-12.

[2] 安正昆，钢铁热处理.长治机电工业学校.

[3] 史美堂，金属材料与热处理.上海科技技术出版社，1983.6.