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使用原位同步加速器 X 射线衍射对高碳马氏体/贝氏体轴承钢微观结构的比较微观力学评估高碳马氏体/贝氏体的比较 微观力学评估 使用原位同步加速器X 射线衍射的轴承钢显微组织 高碳马氏体/贝氏体的比较 微观力学评估 使用原位同步加速器X 射线衍射的轴承钢显微组织 高碳马氏体/贝氏体的比较 微观力学评估 使用原位同步加速器X 射线衍射的轴承钢显微组织 高碳马氏体/贝氏体的比较 微观力学评估 ，使用原位同步加速器X 射线衍射的轴承钢显微组织 这 机械行为 不同的 微观结构 成分 在SAE 52100轴承 钢有 到过 研究过 在房间 温度 相关_ 到淬火 和分区（QP） 和贝氏化(B) 工艺参数， 和 比较的 到 这 标准 淬火 和 回火 (QT) 微观结构使用 高能量 同步加速器 X 射线 偏光 在 原地 中 拉伸 加载。 欠 到 一个 较大 程度 的 碳 诱捕 在 它的 以身体为中心 立方体 格子 和相关的 格子 变形，马氏体 在 _ QT显微结构 显示了一个 较大的格子 范围 和 扩大 衍射峰 作为比较 降低_ 贝氏体 铁素体 或分区 马氏体。一个 减少_ 偏光 顶峰 广度 在 回火 马氏体 发生 在 一个 真的 压力 价值 的 ~1800 兆帕， 和 果酱 它的 顶峰 广度 甚至 后 后续卸货。 在 对比，一个 相等的 影响 在高峰期 广度 是 检测到 在~ 1500 MPa的 下贝氏体铁素体或混合贝氏体/马氏体基体 B的特点和_ QP微结构。 在所有研究中 微结构，亚稳态 奥氏体相变当一个关键压力是到达 ， 的价值 这增加了 与_ 贝氏体铁素 体/马氏体 分数和 与_ 碳 内容 在 奥氏体， 但 遗迹 降低 在 这 量子点 和 乙 微结构 比较的 到 这 标准 QT 钢。 这些 结果 建议 那 这 碳 坚硬的 解决方案 强化 和 联系 晶格畸变 在 贝氏体 铁氧体 或者 马氏体 是关键 在 确定 _ 机械的 的表现 成分_ 阶段 _ 钢， 与_ 阶段 分数 和 当地的 碳 内容 玩 一个 额外的 角色 在 这 奥氏体 机械的 稳定。 一、简介 球 和滚子 轴承，尤其是滚动轴承，是 关键精确 锡安组件 允许旋转_ 的动议，或 关于，轴在 关系 慢慢地 复杂的 机制 经营于 工业的 机械 和 com- 商业 设备。滚动 轴承 是 基于 在_ 滚动动作 的_ 球或滚子 尽量减少摩擦 拖动[1] . 低合金 ( < 5重量% 全合金化 元素），高碳（ > 0.8 wt.%C)整体硬化 美国汽车工程师学会 52100钢 等级是 介绍了几十年 以前在 轴承技术 奥吉 和 仍然 占主导地位 轴承 钢 用法 全世界 [ 2 , 3 ]。 它的 优势- 财务 在轴承 生产 （轧 元素 和跑道） 依赖 在 在其发现的高机械加工性 软球化退火条件 化， 连同_ 它 很好 淬透性和 相对的 高的 难的- 内性 （人权委员会 61-65), 力量 和 韧性 成立 在 这 热处理 状态 的 最终_ 产品[1-3] . 在_ 典型的 马氏体 通过硬化 过程， 球化 钢 是 奥氏体化， 和 然后 跟随 经过 淬火- ING在石油和 低温回火，产生_ _ 淬火和 回火(QT)马氏体 < _ _ 15 vol.%亚稳态 ∗对应 作者。 电子邮件 地址： daniel.foster-7@postgrad.manchester.ac.uk （D。 促进）， mohan.paladugu@timken.com （M。 帕拉杜古）。 残余 奥氏体和 ~2-3 vol.%球体 渗碳体( 𝜃 -Fe 3 C)阶段 [ 2 , 4 , 5 ]。 中 操作， 轴承是 受制于_ 赫兹接触 强调 几个GPa的大小以及地下剪切应力， _ 导致_ 滚动接触现象_ 疲劳(RCF) [ 1 , 2 , 6 ]。 这 结果 压力 状态 和 疲劳 能够 扳机 发展_ 的 表面 和/或钢的表面下损坏和开裂[ 7 ] . 骗局_ 序列是_ 宏观表面疲劳的出现 导致剥落_ 轴承 损害 和 终止 轴承 手术 [8-10] . 所以， 这 疲劳 反抗 的 钢材 是 一个 关键 方面 在 改善 这 的可靠性 轴承 生活。 此外， 这 保留 奥氏体 当前阶段 在 钢， 如果 不是 热机械足够稳定，转变为以身体为中心的 立方体 相，诱导 一个 不希望的 增加 在 轴承的 方面 随着时间的推移 [11-15] . 但是_ 额外的加工硬化能力 从 这 转型本身 被认为 到 增加_ 抗疲劳性 的 这 轴承 如果 这 奥氏体 稳定 是 量身定制 为了 一个 进步 转换. 强化效果 间隙碳_ 原子 和取代 所以- 琵琶 在_ 马氏体基体 是_ 重大的 贡献者 _ 轴承的 对RCF的耐受性[18] . 认为存在残余奥氏体_ _ _ 有利于提高局部韧性和抗疲劳性，尤其是 在受污染或润滑不足的环境中 [ 15 , 19 , 20 ]。的概率_ 微裂纹也随着减少 这 奥氏体 粒度_ [ 19 , 20 ]。 然而， 一个 彻底 分析_ 如何 这些 微结构 已执行 没有_ 到过 进行或 报道于 文学。 热 治疗 修改 到 控制 奥氏体 阶段 改造- 选项 和 碳扩散 以外_ 机会 _ 量身定制 特点- 学说 的 成分_ 阶段_ 钢铁_ 微结构为 增强型 终生 轴承性能。 一个吸引人的 选项 是_ 严肃—— 每 tHe 材料 多于但相对地接近_ 这 马氏体 开始 温度 温度 ( 米 小号 ) [21] , 作为 一个 代替 到 这 淬火步 在 油 以下 米 小号 . 贝氏体型 (二) 轴承 钢 的显微组织具有纳米尺寸 碳化物与QT显微结构相比，颗粒具有更高的耐磨性 真的， 但一般来说 整体较低 机械性能 [ 22 , 23 ]。 一个 替代淬火 和分区 (QP) 热量 处理过程 包括_ 添加一个 上面的分割步骤 中号 小号 温度，后 标准油淬，以促进汽车- _ _ _ _ 从过饱和马氏体基体到相邻的 奥氏体 晶粒， 并且可能_ 贝氏体的形成 铁氧体_ 较少的 稳定的 奥氏体 谷物 [ 24–26 ]。 这 量子点 过程 是 通常 应用 到 钢 成绩 高的 在 铝 或者 硅 在 命令 到 阻碍 这 形成 的 碳化物 [27] ,虽然 过程_ 促进额外的碳 划分 为 剩余奥氏体。 因此， QP术语_ 已经 _ 应用于_ 这项工作 描述_ 两步_ 热处理 _ 促进的过程 碳 扩散 进入 奥氏体。 在 这 工作， 我们 有 系统地 作为- 已处理 微观力学 的_ 组成相 在乙 和 QP型 微结构 的 美国汽车工程师学会 52100 轴承 钢， 和 比较的 他们的行为—— 下_ 变形与 那个_ 标准QT 的微观结构 这 同样的钢。 该 系列 高能的 X射线衍射 数据在 原地 中 机械的 测试 已允许 我们 探查_ 机械的 是- 行为& 的稳定性_ 组成相_ 大部分_ _ 进化的 钢 微观结构 紧张一步_ 还有30分钟 在一个 任一温度 220°C, 240°C 或260°C。 全部 样品是 随后淬火 到房间 温度。 这 米 s 温度 的 那些 样品 曾是 测量的 经过 膨胀法 到 是 203°C （见图S6 ）。意图_ 这两种热处理类型_ _ 本来是 生成一组B型微结构样本，其中矩阵 主要由下贝氏体组成， 约 28 vol.%未回火 马氏体 形成 中 冷却 到 房间 温度 从 220°C （看 如图。 S2, 3 & 4), 和 保留 奥氏体； 和 一个 样本 放 的 QP型 米- 交叉结构， 其中_ 矩阵_ 是 包括_ 贝氏体/马氏体 混合，与 残留 奥氏体。 在高 碳轴承 钢这个 双倍的 步长(QP) 治疗，即 淬火至~30°C 低于M 小号 其次是 一个 温度 升入_ 贝氏体_ 制度、目标 加速_ 这 奥斯汀- 比较的ite转换 一步等温淬火处理 没有 牺牲 硬度 [28] , 和 宣传一些 额外的 碳 扩散 到 奥氏体。这种加速 转型的_ 动能- 集成电路， 可能由于 到_ 引入的位错 由_ 以前 的貂 地点 形成，是 报道 发生_ 两者都在 含硅和 在无硅 钢 [29] . 过渡 碳化物 是 预期的 到 形式 在 这 拉紧 字段 的 位错 存在于 过饱和马氏体， 作为_ 过渡 碳化物 形成是 不迟钝 由Si [30] . 作为一个 参考，QT型微结构 获得了_ 奥氏体 化在 840°C 为 30分钟，基于 关于工业 练习到 最小化 制造过程中的变形或开裂效应，其次是油 淬火 至 80°C， 冲洗_ 水和 最终回火 在180°C 为了 90 分钟 （看 如图。 1 一个）。 这 奥氏体化 温度 的 860°C 为了 这 乙 和 量子点 --类型样本 被选中 按顺序 进一步_ 增加_ 车- 好的内容 在奥氏体中 增强铁 3 C溶解， 最后 增加残余奥氏体稳定性_ 加热的后续步骤_ 治疗[31] . 平均值_ 粒度_ 的_ 原 奥氏体 是 ~16 μm在840°C （见图S1b ）， 有一个标准 2.1 μm的偏差， 和 ~15微米 在860°C，与 标准差_ 1.7微米。 结果_ 微结构 是 表征 使用 一个 蔡司 极端主义者 55 扫描 电 电子显微镜(SEM )在 加速电压10 kV _ _ 和 一束_ 当前的 2.3毫安。 维克斯_ 显微硬度 每个mi- crostructure是 从确定 平均_ 5个 使用缩进 一个10 N负载（高压 1.0 ）。狗 骨 拉伸试样 总长度38 _ _ 毫米， 一个量规 长度_ 4毫米 和 一个十字架 部分在 量规 长度_ 1.5 × 0.7毫米 2 是 加工自 每个 微观结构 （见 如图。 1 d 为了 完整样本 尺寸），机械抛光 下降到 一个0.4 𝜇 m col- 侧向 二氧化硅抛光剂， 然后_ 电抛光 室温_ 使用 一个 的解决方案 5体积% 高氯酸 在95 vol.%冰川 乙酸。 2.2. 原位 同步加速器X 射线 期间的分歧 拉伸 变形 这 狗骨头 样品是 经过测试 依次 在 房间 温度 使用2kN微张力 钻机放置在高能I15 _ 光束线 英国钻石光源。 _ _ 现场示意图_ _ _ _ 同步加速器 X 射线衍射(SXRD) 实验如图所示。_ 2 一个。 中心_ 的_ 样品标距 被照亮 与_ 72 keV ( 𝜆 = 0.1722 一个） X 射线束 和 一个 70 微米直径 圆形的 光束， 和_ 样品是 逐步变形 在一个 应变率_ 0.1毫米/分钟 中 加载 向上 到 这 最大限度 加载 的 2千牛。 在 每个 形变 步， 这 样本 被保留 在下面 负载控制 和 转入_ 脚步 的Δ𝜔 _ = 5° 沿着 这 加载 方向， 覆盖 一共_ 有角度的 范围 的 𝜔 = ± 45°。 中 每个 旋转步骤， 分心的 强度是 记录连续 经常 使用放置在1000 mm处的2D PerkinElmer 1621EN探测器 样品后面。该样本到检测器的距离被选择为 是 能够_ 区分 { 111} 奥氏体 和{110} 铁氧体 偏光 在这个实验中的零变形环。除了那些措施—— 评论， 变化_ 测量 长度 和宽度 是 监控 经过 记录 这 传播 的 这 X 射线 光束 作为 它 扫描的 这 样本 事先的 到 这 收藏 的 这 衍射信号。 后 最大限度 负载 _ ≥ 2000兆帕 曾是 到达， 样品_ 被卸载 和_ 分散强度 曾是 也记录下来了。 由于微张力 _ 采用的样品几何形状 和 这 低的 应变率， 不 锐利的宏观 屈服是 观测到的 在里面. 如图。 1.示意图 表示 的 这 热 治疗 到 生产 （一个） 淬火 & 回火 (QT), (二) 贝氏体 (乙) 和 （C） 淬火 & 分区的 (QP) 微结构。 (d) 方面 （在 毫米） 的 这 狗骨头 样品 机加工 从 那些 微结构 为了 拉伸 测试 中 这 原位 同步加速器 X 射线 偏光 实验。 质量保证 = 油 淬火； 方位 = 盐 淬火， 水清 = 水 淬火。 本实验的加载范围。实验室 6 （NIST 标准 参考 材料 660c)是 用过的 作为校准物。 二维_ 衍射模式 记为 一个函数 应用的 压力 和 样本 是 总和 为了 全部 𝜔 - 旋转 和 处理 进入 一维 拍- 燕鸥使用黎明 软件[32] . 得到的一维图案是 随后 分析了 使用 里特维尔德_ 方法 和 这 卡利奥蒂 为了- 在FullProf Suite软件包[34]中实现的mula [33 ] . 偏差_ 模式 显示 存在_ 三个_ 晶体学 阶段： 脸 居中立方 阶段 （联邦通信委员会 奥氏体）， 以身体为中心 立方体 （密送 贝氏体 铁氧体 和/或 马氏体） 和 斜方 渗碳体。 这 里- 埃特维尔德 分析_ 每个 一维图案 包括 细化_ 的 规模_ 因素， 阶段 分数，FWHM （全 一半宽度_ 最大） 和 纬度 泰斯 参数。一个 意义重大 减少_ 奥氏体 分数以外 这 实验 不确定 标记 这 危急 压力 为了 奥氏体 到 com- 门禁 改造_ 成马氏体 之上 加载。中 形变， 负载_ 是分布式的 阶段之间_ 存在于 进化的 米- 结构。这 观察到的变化 期间的峰值位置 形变 是 翻译的 进入 这 相应的 平均 格子 拉紧 为了 一个 给定 阶段 ( ⟨𝜀 _ 𝑝ℎ ⟩ ) 根据： ⟨𝜀 _ 𝑝ℎ ⟩ = 𝑎 𝑝ℎ - 𝑎 0 𝑝ℎ 𝑎 0 𝑝ℎ (1) 在哪里𝑎 𝑝ℎ 和𝑎 0 𝑝ℎ 对应_ 晶格参数_ 成分的_ 阶段 在 微观结构 在一个 给定变形 步骤和 在零 德- 形成， 分别。 此外， 我们 有 携带的 出去 一个 单峰 t 选定的 （弱重叠 或者 非重叠）反射 到 一个 伪福格特 简介 功能， 在 命令 到 获得 这 飞机 菌株 ( ⟨𝜀 _ ℎ𝑘𝑙 ⟩ ) 包含 信息 关于 这 加载 分区 其中 具体的 hkl 飞机 每个_ 阶段，使用 表达式： ⟨𝜀 _ ℎ𝑘𝑙 ⟩ = 𝑑 ℎ𝑘𝑙 - 𝑑 0 ℎ𝑘𝑙 𝑑 0 ℎ𝑘𝑙 (2) 在哪里 𝑑 ℎ𝑘𝑙 和 𝑑 0 ℎ𝑘𝑙 对应 到 这 格子 飞机 间距 在 一个 给定 德- 形成 步骤和 在零 形变， 分别。 此外， 这 2D 到 1D 集成 和Rietveld分析 也 进行了 使用 这 分散的 强度 集 在 这 二维 探测器 在 ± 7.5° 尊重 到 这 加载 方向 还有_ 它的 垂直 方向。 这 谷物 和 他们的 飞机 普通的 面向的 平行线 到 这 加载 方向 将要 是 在 一种张力 陈述_ 样品加载， 而谷物 和 他们的飞机 法向垂线 到装载_ 方向将是 在压缩。 这个程序 允许 我们解耦_ 平行（ _ 𝜀 ∥ℎ𝑘𝑙 )和 笔直 直肠（ 𝜀 ⊥ℎ𝑘𝑙 )格子 平面 应变 从_ 各向同性变化 在格子里 范围 到期的 到 变化 在 平均 碳 内容 在 奥氏体 [ 35 ]。 这 价值观 的_ 讨论了FWHM 后来在 这项工作 对于不同的 { hkl } 反思 对应 到 这 分散的 收集的强度 在 这 二维 德- tector 在一个 ± 7.5°方位角 尊重_ 到_ 装载方向。 3.结果 3.1。最初的 微结构 图3显示 二次电子扫描电镜 代表mi-的图像 交叉结构。 贝氏体 能够 是 目视 识别 和 它的 捆状 结构 在所有显示的样本中都保持不变；的形态_ 马氏体也可以_ 以其长长的针状结构识别。此外，大的球状 渗碳体 是 展示 穿过 全部 样品。 如图。 2 b 节目 这 里特维尔德 肛门- 的_ 一维 衍射模式 机械前 加载。 经验_ 精神的 的值 奥氏体_ 分数 和_ 晶格参数 的 这 空载状态下存在的主要相， 与维克斯一起_ 显微硬度 价值观， 是 显示 在 桌子 2 . 这 碳 内容 在 这 残余 奥氏体 阶段_ _ 卸载 状态可以 估计使用_ 这 表达式[ 14 , 36 , 37 ]： 𝑎 𝛾 = 3 . 556 + 0 . 0453 𝑥 𝐶 + 0 . 00095 𝑥 𝑀𝑛 + 0 . 056 𝑥 𝐴𝑙 + 0 . 0006 𝑥 𝐶𝑟 +0 . 0015 𝑥 𝐶𝑢 - 0 . 0002 𝑥 𝑁𝑖 |
