304不锈钢因具有耐腐蚀、耐高温、加工性能优良、韧性佳等特点而被广泛应用于汽车工业、家电行业、建筑业、环保工业等领域^[1-6]。按照合金组织的不同可以将不锈钢分为奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢和铁素体不锈钢^[7-10]。304不锈钢热处理后的冷却方式可显著影响材料的组织转变，从而影响其使用性能^[11-14]。国内外学者广泛研究了保温时间和冷却方式对304不锈钢的组织和力学性能的影响。代永娟等^[15]研究了1 000 ℃退火温度下保温时间和冷却方式对Fe-28Mn-2.8Si-2.2Al孪生诱导塑性不锈钢组织和性能的影响，结果表明，水冷和空冷两种冷却方式相比，水冷更有利于孪生诱导塑性不锈钢获得良好的力学性能，同时冷却速率对晶粒尺寸和晶粒取向有一定的影响。杨婷等^[16]研究了淬火冷却速率对厚度为35 mm的高强度低合金钢板横截面组织的影响，结果显示，增大淬火冷却速率有利于增大近表面板条马氏体/贝氏体组织的体积分数、增大位错和小角度晶界的密度以及减小马氏体小板条宽度，使近表面的洛氏硬度显著增大。莫远科等^[17]研究了再结晶退火对高硅电工钢冷轧带材组织、有序结构、力学性能和冷轧成形性能的影响，结果表明，升高再结晶退火后的空冷或油冷温度、增大冷却速率，可显著提高样品的室温塑性。Malik等^[18]研究了冷却温度和冷却速率对316L不锈钢粉末注射成形件力学性能的影响，结果表明，较大的冷却速率使烧结样品的强度增大。

到目前为止，冷却方式对不锈钢的晶粒取向、晶粒大小和孪晶数量的影响鲜见报道。因此，本工作将304不锈钢样品于1 050 ℃下保温30 min后分别以水冷、油冷、空冷和炉冷等不同介质冷却后进行电子背散射衍射（electron back-scattered diffraction，EBSD）分析，研究冷却速率对304不锈钢的晶粒取向、晶粒尺寸和孪晶的影响。

试验材料为厚度10 mm的工业304不锈钢板，各元素的质量分数如下：C 0.05%、Si 0.39%、Mn 1.08%、Ni 8.05%、Cr 16.20%，Fe 74.23%。将304不锈钢板切成横截面尺寸为10 mm×10 mm的正方形样品（以下简称样品），放在刚玉坩埚中，在电阻炉中进行热处理，加热温度为1 050 ℃，保温时间为30 min，然后分别进行水冷、油冷、空冷和炉冷。

样品经150～2 000 目砂纸打磨后抛光，采用离子减薄仪对打磨后的样品进行亚离子抛光，使用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）附带的EBSD探头对样品进行微观结构分析，其扫描区域尺寸为1 800 µm×1 500 µm，步长为0.5 µm，EBSD数据用Channel-5软件进行分析。

图1为样品在1 050 ℃下保温30 min后，分别经水冷、空冷、油冷和炉冷后的反极图（inverse pole figure, IPF）和晶界图。IPF中不同颜色代表不同的晶粒取向，其中红色代表<001>晶向，蓝色代表<111>晶向，绿色代表<101>晶向。从图1（e）中可以看到，原始样品的晶粒呈现等轴、不均匀的特征，晶粒取向随机，较细小，其尺寸为20.00～130.00 µm，平均晶粒尺寸约为35.65 µm，长径比约为2.35。经过1 050 ℃热处理后冷却的样品，其晶粒相较于原始样品的更为粗大，且未呈现出明显的晶粒取向。从图1（a）～1（d）中可观察到细小的孪晶片层，孪晶片层具有多种晶粒取向，其中具有相同颜色的类孪晶片层有相同的晶粒取向。冷却方式对晶粒尺寸有显著影响。如图1（a）～1（d）所示：水冷样品的平均晶粒尺寸约为39.12 µm，长径比约为2.69；油冷样品的平均晶粒尺寸约为40.09 µm，长径比约为2.58；空冷样品的平均晶粒尺寸约为45.51 µm，长径比约为2.93；炉冷样品的平均晶粒尺寸约为45.74 µm，长径比约为3.00。由此可见，随着冷却速率的减小，样品的晶粒尺寸由39.12 µm增大到45.74 µm。这是因为空冷和炉冷时，由于冷却速率较小，样品中的奥氏体和铁素体有足够的时间长大，冷却到室温时就会形成较粗大的晶粒。而水冷和油冷的冷却速率较大，可以防止样品中奥氏体的继续长大，阻止球状碳化物的析出，保持碳化物的固溶状态，得到较小晶粒尺寸的晶粒。

图 1

图 1 样品的晶界图和IPF Fig. 1 Grain boundary images and IPF of the samples

图2为样品在不同冷却方式下的晶粒取向差分布图。图2（e）所示为原始样品的晶粒取向差分布情况，呈单峰分布，其晶粒取向差范围为47º～60º，大角度晶界占比较高。由图2（a）～2（d）可见，水冷、油冷、空冷和炉冷样品中的小角度晶界与原始样品的相比，数量增加。这可能是因为在冷却过程中孪晶界增多。

图 2

图 2 样品的晶粒取向差分布图 Fig. 2 Grain misorientation distribution images of the samples

图3是不同冷却方式下样品中的孪晶分布图。其中黑色（深灰色）代表晶界，红色（浅灰色）代表孪晶。由图3（e）可见，原始样品中含有38.7%（由Channel-5软件分析得出）的孪晶，孪晶密度较高，这些孪晶片起始或终止于晶界处。热处理后，在样品晶粒长大的过程中，有少量的孪晶继续形成，同时孪晶也随之长大，小晶粒中的孪晶在长大过程中会随着晶粒合并而融合，长而直的孪晶横穿整个晶粒。晶粒尺寸越大，其孪晶界的长度越长，并且宽度也相应增加。随着冷却速率的减小，孪晶数量也在减少，分别从水冷的52.0%降低至炉冷的45.9%。

图 3

图 3 样品的孪晶分布图 Fig. 3 Twins distribution images of the samples

图4为样品的相图分布图，黄色（浅色）代表面心立方（face-centered cubic，FCC）相，红色（深色）代表体心立方（body-centered cubic，BCC）相。如图4（e）所示，原始样品的相基本为奥氏体，几乎不含铁素体。经过高温处理后，两相体积占比发生了变化。在较大的冷却速率下，如水冷和油冷，会出现一部分铁素体（见图4a和4b）。随着冷却速率的减小，铁素体有足够的时间长大^[19]，故其体积占比增加（见图4c和4d）。

图 4

图 4 样品的相分布图 Fig. 4 Phase distribution images of the samples

图5为不同冷却方式下样品的洛氏硬度。热处理后的样品表面温度较高，与冷却介质接触后迅速收缩，导致表面承受较大压缩应力。但此时样品的芯部较热。由于芯部的冷却速率较小，芯部的收缩速率小于表面的收缩速率，这使得芯部受到拉伸应力。应力的形成增大了样品表面的洛氏硬度，并改善了样品的力学性能。如图5所示，随着冷却速率的减小，样品的平均晶粒尺寸逐渐增大（见图1e），洛氏硬度相应减小。在本试验条件下，水冷的冷却速率显著大于其他冷却方式的，这促使样品的洛氏硬度增大至 23.1 HRC，相较原始样品的，增大了约 11%。

图 5

图 5 不同冷却方式下样品的洛氏硬度 Fig. 5 Rockwell hardnesses of the samples under different cooling methods

（1） 原始样品为等轴、不均匀晶粒，晶粒取向分布随机，晶粒较细小，尺寸为20.00～130.00 µm，平均晶粒尺寸为35.65 µm，长径比为2.35。随着冷却速率的减小，晶粒尺寸由水冷的39.12 µm增大到炉冷的45.74 µm。

（2） 原始样品中含有38.7%的孪晶，孪晶密度比较大，孪晶片起始或终止于晶界处。随着冷却速率的减小，样品的孪晶数量也在减少，分别由水冷的52.0%减少到炉冷的45.9%。在较大的冷却速率下，如水冷和油冷，会出现一部分马氏体相。随着冷却速率的减小，马氏体相体积分数增大。

（3）可以通过热处理后的水冷方式来获得具有较大洛氏硬度的样品。随着冷却速率的减小，洛氏硬度减小。由于水冷的冷却速率大于其他冷却方式的，水冷样品的洛氏硬度可达23.1 HRC，比原始样品的增大约11.0%。