渗氮低合金钢中高氮奥氏体的纳米贝氏体转变及其强化机制

将低碳、低合金钢薄片(0.1mm)试样在640-650℃进行气体穿透渗氮以获得室温下稳定的奥氏体组织，然后使后者在100-300℃发生等温贝氏体转变，生成纳米尺寸、硬度高于1000HV 的"纳米贝氏体"组织。对块体试样进行相同处理，可在试样表面形成纳米贝氏体，从而实现材料"表面纳米贝氏体化"。探讨低碳、低合金钢渗氮制备高氮奥氏体的热力学可能性；表征"纳米贝氏体"转变产物的硬度等力学性能及其影响因素；采用透射电镜为主的分析手段研究转变产物的相组成、形态、精细结构、晶体学特征和界面微观结构，相变的形核、长大行为，以及高氮奥氏体形成和等温转变过程中Fe4N、CrN和Cr2N等纳米晶氮化物的析出行为，揭示这种贝氏体相变的本质，及其产生超高硬度的机制。这对传统渗氮工艺、贝氏体相变理论以及纳米晶材料研究都是一个发展，并为低合金结构钢的强韧化开创新的途径。

将20钢和20Cr在640ºC~680ºC下气体渗氮，获得室温下稳定的渗氮奥氏体层。研究了渗氮奥氏体层在225ºC的等温转变行为，其转变产物具有1060HV/25g(20钢)和1200HV/25g(20Cr)的超高硬度。这种贝氏体转变产物能在晶界和晶内位错处优先形核、长大，具有扩散型相变的特征。转变产物具有两种形态：(1)纳米尺寸的贝氏体团及团块间离散分布的残余奥氏体，(2)细层片状的贝氏体组织。虽然相变产物形态明显不同，其本质都是γ→γr/γ׳-Fe4N+α转变(γr-残余奥氏体)，并且都具有纳米级尺寸。由热力学平衡相变直接生成纳米晶组织具有重要的研究价值。由于生成CrN时的高热力学驱动力导致的高形核率，以及渗氮温度条件下，Cr原子相对低的扩散能力是20Cr渗氮过程中形成纳米晶CrN的原因。纳米化贝氏体形成的晶界强化，以及纳米颗粒γ׳-Fe4N的析出强化和(20Cr)渗氮过程中形成的CrN弥散强化相，是渗氮奥氏体层贝氏体转变产物具有超高硬度的根本原因。晶体学方面，析出相γ׳-Fe4N与原奥氏体之间保持Cubic-Cubic位向关系。该研究结果表明，材料表面获得的渗氮奥氏体层经等温处理后，在表面生成了具有纳米尺寸的贝氏体组织，即“表面纳米贝氏体化”，获得了比普通渗氮层更高的硬度和耐磨性，开创了低合金钢表面强韧化的新途径。同时为低合金高氮高强钢的制备提供了理论依据。