稀土一硼復(fù)合變質(zhì)處理后，細(xì)化本質(zhì)晶粒度的主要原因是，稀土、翩在晶界上富集和彌散質(zhì)點(diǎn)的釘軋作用所致。因?yàn)橄⊥粮患趭W氏體晶界;降低自由能，減小晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力，能強(qiáng)烈阻礙7Fe晶粒長(zhǎng)大。雖然硼略有促進(jìn)晶粒粗化的傾向，但稀土在晶界阻礙7Fe晶粒長(zhǎng)大的強(qiáng)烈效應(yīng)足以克服這種粗化傾向，況且卿80Q 硼與氧、氮作用形成分散的第二相微粒與晶界交互作用，可阻礙晶界移動(dòng)。高溫加熱時(shí)，稀土形成穩(wěn)定的氧化物質(zhì)點(diǎn)也起釘扎晶界的作用，故可抑制高溫時(shí)的晶粒長(zhǎng)大，使本質(zhì)晶粒度細(xì)化。
(2)對(duì)ZG3OCrMn2Si等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響為了探討稀土一翻對(duì)ZG3OCrMn2Si的等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響，本文測(cè)定了變質(zhì)與未變質(zhì)的3OCrMn2Si鑄鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線，見圖5一 22。從圖5一22可知，稀土一 a能使30CrMn2Si鑄鋼等溫轉(zhuǎn)變開始曲線右移，推遲珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變，增加孕育期，使鋼的淬透性增加，同時(shí)使等溫轉(zhuǎn)變終了曲線左移，縮短了等溫轉(zhuǎn)變時(shí)間，并也能使叭點(diǎn)升高。這主要是由于稀土一硼細(xì)化了鑄態(tài)組織，減小了枝晶間距，縮短碳及其他合金元素的擴(kuò)散距離，在高溫奧氏體化溫度下，這些合金元素能充分溶人奧氏體，提高奧氏體的穩(wěn)定性。另一方面，稀土和翻在晶界的富集，降低了晶界能并抑制鐵素體及貝氏體在晶界上成核，因此，減慢了奧氏體的分解速度，提高了淬透性。致于提高叭點(diǎn)的原因，可能是缺陷組態(tài)起著有助于馬氏體形核的作用。因?yàn)橄⊥良饶芙档臀诲e(cuò)處溶質(zhì)濃度，減小溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，使位錯(cuò)的可動(dòng)性增加，又能降低奧氏體層錯(cuò)能，使馬氏體相變時(shí)，臨界切變應(yīng)力減小，有利于馬氏體核坯的擴(kuò)展，使M點(diǎn)升高。
(3)對(duì)馬氏體形態(tài)、尺寸的影響馬氏體分兩大類，從形態(tài)上分為板條狀馬氏體和片狀馬氏體，從亞結(jié)構(gòu)上分，前者為位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，又稱位錯(cuò)馬氏體;后者為孿晶亞結(jié)構(gòu)，又稱作孿晶馬氏體。位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)碳含量較低(二(C)<0.4%), 并且在較高溫下形成，其性能特征是硬度高韌性好，固又稱韌性馬氏體。孿晶亞結(jié)構(gòu)馬氏體碳含F(xiàn)-4rA高，形成溫度較低，其性能特點(diǎn)是硬度高，脆性大，固又稱作脆性烏氏體。從馬氏體鋼性能要求希望得到位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)馬氏體。
在中碳馬氏體鑄鋼碳含量范圍內(nèi)，按理不應(yīng)該出現(xiàn)孿晶馬氏體，但因是鑄鋼，屬非均質(zhì)材料。鑰在一次結(jié)晶過程中由于選分結(jié)晶，形成較嚴(yán)重的枝晶偏析，即低次軸碳含t低高次軸尤其是枝晶間碳含量高，故其淬火組織由不同比例的板條馬氏體及片狀馬氏體(混合馬氏體)組成見圖5一23,碳含量愈高，片狀馬氏體愈多。
未經(jīng)變質(zhì)的中碳馬氏體鋼中，片狀馬氏體比例較高，且片狀馬氏體趨于粗化。經(jīng)稀土及稀土硼復(fù)合變質(zhì)處理后，不但大大增加板條馬氏體的比例，而且使板條馬氏體的尺寸不同程度的減少，其中以RE一B復(fù)合處理效果最為顯著
Y基重稀土的變質(zhì)效果優(yōu)于Ce基輕稀土，而用單一硼變質(zhì)，沒有改變鋼中混合馬氏體的比例，只是細(xì)化了片狀馬氏體組織，表5一18示出了不同變質(zhì)劑對(duì)板條馬氏體尺寸的影響。
稀土變質(zhì)處理使板條馬氏體的長(zhǎng)度變短，而寬度增加;稀土復(fù)合變質(zhì)處理使馬氏體的長(zhǎng)、寬均變小。特別是稀土硼復(fù)合變質(zhì)處理，使馬氏體的長(zhǎng)度由原來的105m減小到15m，而且在掃描電鏡下觀察，經(jīng)稀土硼復(fù)合變質(zhì)的組織特別均勻。
(4)馬氏體亞結(jié)構(gòu)在日本產(chǎn)的H-800透射電子顯微鏡下，采用金屬薄膜試樣，進(jìn)行對(duì)比觀察，采用選區(qū)電子衍射標(biāo)定。
試驗(yàn)鋼在同一爐中冶煉，變質(zhì)處理在爐外包中進(jìn)行，以保證鋼的基本成分一致，即一爐鋼液分四包澆注，第一包空白，第二包w(Ce)0.15%基輕稀土變質(zhì)，第三包二(B)O.007%變質(zhì)，第四包w(Ce)O.15%基輕稀土w (B)O.007%復(fù)合變質(zhì)。
1)空白實(shí)驗(yàn)未變質(zhì)ZG31Mn2Si組織中馬氏體的亞結(jié)構(gòu)見圖5一25a，可見，未變質(zhì)ZG31 Mn2Si鋼組織中馬氏體的亞結(jié)構(gòu)以粗大孿晶為主，分布非常集中，仍有少量的位錯(cuò)馬氏體存在。
2) w (Ce)0.15%基輕稀土變質(zhì)經(jīng)Ce基輕稀土變質(zhì)，馬氏體亞結(jié)構(gòu)以位錯(cuò)為主(見圖5 - 25c)，位錯(cuò)密度較未變質(zhì)的馬氏體高。在研究中發(fā)現(xiàn)，隨著奧氏體化溫度提高，位錯(cuò)馬氏體比例增加。為控制得到位錯(cuò)型亞結(jié)構(gòu)馬氏體，既要變質(zhì)，又要高溫奧氏體化熱處理。
3) B變質(zhì)加B變質(zhì)對(duì)馬氏體結(jié)構(gòu)影響和稀土不同。經(jīng)B變質(zhì)位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)馬氏體數(shù)量沒有增加，仍是混合馬氏體基體，但它卻使孿晶亞結(jié)構(gòu)馬氏體大大細(xì)化(見圖5一25b)，眾所周知，孿晶馬氏體細(xì)化有助于提高鋼韌性。在熱處理研究中發(fā)現(xiàn)，要得到細(xì)孿晶馬氏體結(jié)構(gòu)，熱處理溫度和鋼中殘B量有關(guān)，當(dāng)鋼中殘B量較低時(shí)〔二(B)0.003%)，熱處理溫度不宜過高，當(dāng)鋼中殘B量較高時(shí) (w(B)>0.004%)，要求較高熱處理溫度。因?yàn)樵诖饲闆r下，高的殘B量導(dǎo)致鋼中非固溶B (BN)量增加，為促使氮化硼分解，溶人奧氏體，需要較高的奧氏體化溫度。在研究遺傳性中發(fā)現(xiàn)，含稀土硼鋼經(jīng)重新溶化，稀土全部燒損。B 對(duì)鋼卻有明顯的遺傳性。
4) w (Ce)O.15%基稀土w(B)0.007%復(fù)合變質(zhì)研究證實(shí)RE-B復(fù)合變質(zhì)效果最佳，馬氏體亞結(jié)構(gòu)以位錯(cuò)為主(圖5一25f)，位錯(cuò)密度高，馬氏體板條細(xì)小。雖存在少量細(xì)小的孿晶馬氏體，也為位錯(cuò)馬氏體所包圍(圖5一25e)。在熱處理研究中，要考慮稀土硼的復(fù)合作用，不能象單加稀土那樣單純追求高溫奧氏體化，要考慮B的殘留量。從研究結(jié)果揭示，要控制好組織，復(fù)合變質(zhì)處理的奧氏體化溫度比單加B的高，比單加稀土的低。建議對(duì)碳含量w(C)0.3%左右的中碳馬氏體鋼，單加B變質(zhì)采用900 -- 9500C奧氏體化，單加稀土變質(zhì)采用 10500C奧氏體化，稀土硼復(fù)合變質(zhì)10000C奧氏體化為宜。
為什么稀土變質(zhì)能使馬氏體亞結(jié)構(gòu)以位錯(cuò)為主。眾所周知，位錯(cuò)馬氏體的碳含傲可達(dá)，(C)0.4%，而本鋼種碳含量?jī)H有w(C)0.35%，應(yīng)全部為位錯(cuò)型馬氏體，、但由于鑄造狀態(tài)下的不平衡結(jié)晶，在加上凝固過程中的選分結(jié)晶和Mn的影響，使鋼中的碳含量產(chǎn)生嚴(yán)重的微觀偏析一枝晶偏析。正是由于鑄鋼的非均質(zhì)性，在枝晶間碳含量高于二(C)0.4%，導(dǎo)致孿晶馬氏體產(chǎn)生，出現(xiàn)混合馬氏體組織?？梢詳嘌?，鑄鋼組織的不合理性導(dǎo)致相同成分鑄鋼的韌性比鍛造鋼種低，其主要原因是成分不均勻—偏析造成的。
通過稀土鑄鋼凝固研究發(fā)現(xiàn)，稀土加人鋼中能擴(kuò)大We相區(qū)，而合金元素如:C, Mn, Cr等在We相區(qū)中的擴(kuò)散速度為yFe相區(qū)中的50-100倍。所以含稀土的鑄鋼在凝固過程中，通過We相區(qū)的時(shí)間較長(zhǎng)。因此，C, Mn, Cr等合金元素能在此區(qū)得到較為充分?jǐn)U散，使鑄鋼成分趨于均勻化，導(dǎo)致中碳馬氏體鑄鋼組織中馬氏體亞結(jié)構(gòu)的變化。經(jīng)稀土變質(zhì)的中碳馬氏體鑄鋼，其馬氏體亞結(jié)構(gòu)以位錯(cuò)型為主。經(jīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，稀土可促使TTT曲線的開始轉(zhuǎn)變曲線右移，終了轉(zhuǎn)變曲線左移，大大縮短了整個(gè)相變的轉(zhuǎn)變時(shí)間，這充分證明了稀土加人能促使鑄鋼的成分均勻化。稀土鋼要求高溫奧氏體化，也是基于成分均勻化的觀點(diǎn)出發(fā)的。奧氏體化溫度愈高，元素?cái)U(kuò)散愈充分，成分愈均勻，位錯(cuò)馬氏體數(shù)量就愈多。
晶粒細(xì)化，能縮短合金元素的擴(kuò)散距離，也能促使鑄鋼成分均勻化，稀土加人鋼中能明顯細(xì)化鋼的奧氏體晶粒度。因此，也能增加位錯(cuò)馬氏體數(shù)量。
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