贝氏体型非调质钢（记为B钢）具有良好的强度和韧性，其含碳量一般较少^[1]，显微组织基本为贝氏体，有少量铁素体和珠光体，抗拉强度可达800～1 000 MPa，甚至更高^[2]。目前B钢已被广泛应用于工程机械、车辆、民用、海洋等领域^[3-4]。B钢通常经热处理后空冷，因此具有良好的强韧性^[5]，其力学性能超过了典型贝氏体钢和调质钢^[6]的力学性能。然而，尺寸较大的B钢零件经热处理后空冷时，表面和心部由于存在冷速差，会导致其端面力学性能不均匀^[7-8]，进而影响其使用性能。

在已有的报道中，李梦鸽等^[9]研究表明，不同直径贝氏体钢试棒，空冷+回火后均为贝氏体铁素体和残余奥氏体，属于无碳化物贝氏体组织；直径30 mm以下试棒经热处理后组织变化较小，直径50～70 mm试棒经热处理后心部组织粗化，粒状贝氏体体积分数增加。随试棒直径的增加，热处理后其强度和硬度有降低的趋势。罗毅等^[10]研究了一种直径和长度依次为460 mm和800 mm的非调质预硬型塑料模具钢，研究表明，心部组织比表层的粗大，表层存在变形带特征，心部贝氏体铁素体板条的宽度比表层的宽。王思倩等^[11]研究了尺寸因素对35CrMoV钢力学性能的影响，结果表明：力学性能从表层到次表层明显变差，从次表层往里略有变差；组织由回火索氏体过渡为回火索氏体和贝氏体的混合组织。目前，国内关于直径200 mm以上大尺寸B钢热处理工艺对其不同位置显微组织和力学性能影响的研究较少，且大部分是关于心部和边缘微观组织的力学性能差异的研究，不能代表整个B钢的力学性能差异；并且随着相关技术的发展，大尺寸B钢的应用越来越广，比如工程机械、汽车、煤矿机械等一系列对零部件整体性能要求高的领域。因此，本文研究450 ℃回火对大尺寸B钢连铸圆坯不同位置显微组织和力学性能的影响，以期为该类钢的实际设计与应用提供参考，从而使实际应用过程中的构件满足使用需求。

1 试　验 1.1 试验材料和试验过程

本试验中研究的B钢连铸圆坯由江苏某集团生产，化学成分见表1。其生产工艺为：（1）将生铁和废钢加入电弧炉中，加热到高温使其融化并混合均匀；（2）将混合均匀的钢水转移到钢包精炼炉中，进行精炼后经真空处理炉进行脱气；（3）将脱气后的钢水拉成连铸坯并缓冷；（4）采用连轧机将连铸坯加工成棒材，初轧温度为1100 ℃左右，终轧温度为950 ℃左右，最终形成直径为230 mm的棒材，然后进行空冷；（5）冷却至室温后将棒材加热到450 ℃保温12 h，然后进行空冷。沿半径方向从心部到边缘等距切取试样。金相试样的尺寸为12 mm×12 mm×1 mm。拉伸试样按GB/T 228.1—2010的要求设计并切取，从心部到边缘等距切取的试样依次记为B-0、B-1、B-2、B-3，如图1所示。

1.2 表征方法

采用（FEI QUANTA 450）扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）表征显微组织；（LEICA DMI8）倒置金相显微镜观察金相组织；（BRU-KER D8 ADVANCE）X射线衍射仪（X-ray diffractometer，XRD）获取XRD谱图；（PROTO LXRD）高速测量立式XRD表征试样中残余奥氏体的质量分数；洛氏硬度测试在洛氏硬度计上进行，随机选取 10 个点测量并取平均值；（Z100HT）万能材料试验机进行拉伸试验，获得试样的应力–应变曲线。

2 试验结果与分析 2.1 微观组织分析

图2是B钢不同取样位置的金相组织。由图2可知，B钢有多种组织，以粒状贝氏体、板条贝氏体和铁素体组织为主。B-0处粒状贝氏体体积分数大，板条贝氏体体积分数小，板条束最粗且最长，晶粒尺寸最大；与B-0处比，B-1和B-2处的粒状贝氏体体积分数减小，板条贝氏体体积分数增大，板条束宽度减小、长度减短，晶粒尺寸减小；B-3处粒状贝氏体体积分数最小，板条贝氏体体积分数最大，板条束最小且长度最短，晶粒尺寸最小。采用Image-Pro Plus软件统计了奥氏体晶粒的平均尺寸以及铁素体的体积分数，结果如表2所示。表2的结果说明，随着取样位置逐渐靠近边缘，奥氏体晶粒尺寸逐渐减小，铁素体体积分数逐渐增大，这主要是因为在空冷时B钢直径较大造成不同位置冷却速率不同导致的。越靠近B钢边缘其冷却速率越大，从而获得更多板条贝氏体，且板条束尺寸和晶粒尺寸减小、粒状贝氏体体积分数减小。

图3是B钢不同取样位置的SEM图。由图3可知，B钢微观组织为板条贝氏体、粒状贝氏体以及铁素体的混合组织，随着取样位置越靠近B钢边缘，板条贝氏体的板条束长度越短且宽度越小，这与金相组织观察结果一致；存在一些细小的和大块的马奥岛（马氏体/奥氏体岛），以及一些分解的马奥岛，这主要是因为高温回火使部分马奥岛分解。采用Image-Pro Plus软件统计了10张放大2 000倍的SEM图，获得了B钢中马奥岛的平均尺寸，如图4所示。由图4可知，取样位置越靠近B钢边缘，马奥岛尺寸越小。这主要是由于空冷时B钢不同位置冷却速率不同，其边缘冷却速率大，导致贝氏体转变开始温度低、相变驱动力大、碳原子扩散不充分，造成奥氏体只能在短距离内出现富碳和马奥岛尺寸减小、数量增加、间距缩短^[12]。

图5是B钢不同取样位置的XRD谱图。图5中几乎观察不到残余奥氏体的峰，表明B钢中残余奥氏体的占比很少，故采用PROTO LXRD型高速测量立式XRD表征残余奥氏体的质量分数。经测量得出B-0、B-1、B-2、B-3处残余奥氏体质量分数分别为0.68%、0.62%、0.60%、0.47%。由图5可知，B钢不同取样位置的XRD峰主要是铁素体的峰，未见碳化物的峰，由此表明，不同取样位置的组织主要是贝氏体、铁素体和少量残余奥氏体。

2.2 力学性能分析

图6为B钢不同取样位置的洛氏硬度。由图6可知，B-0处洛氏硬度最小，为33.5；B-1和B-2处洛氏硬度有所增大，分别为35.2和36.4；B-3处洛氏硬度最大，为38.1。由此可以看出，B钢洛氏硬度由心部到边缘逐渐增大。这主要和不同位置的组织和晶粒尺寸大小有关，越靠近边缘，贝氏体晶粒和组织越细小，因此洛氏硬度会越大。

图7为B钢不同取样位置的应力–应变曲线。图8为B钢的抗拉强度、屈服强度和伸长率与取样位置的关系。由图7和8可知，随着取样位置逐渐靠近B钢边缘，其抗拉强度、屈服强度和伸长率均逐渐增大。B-0处抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为1008.1 MPa、791.7 MPa、11.8%；B-3处抗拉强度、屈服强度和伸长率达到最大值，分别为1080.5 MPa、828.1 MPa、15.6%，说明其边缘的力学性能优于心部的。

根据金相组织图和SEM图可知，从B-0处到B-3处，板条贝氏体体积分数不断增大，粒状贝氏体体积分数不断减小。与粒状贝氏体相比，板条贝氏体对低碳钢的强化作用更大，板条贝氏体类型低碳钢的强度均优于粒状贝氏体类型低碳钢的^[13-14]，且随板条贝氏体体积分数和马奥岛体积分数的增大，其拉伸强度增大^[15-16]。同时，从金相组织可知，取样位置越靠近B钢边缘，其晶粒尺寸越小，晶粒数量和晶界数量越多。在塑性变形时，变形能均匀地分布在各个晶粒内，从而提高B钢塑性变形能力。通过进一步观察微观组织可知，B钢边缘板条贝氏体明显细化。组织和晶粒的细化能够有效提高B钢强度和塑性。此外，铁素体对B钢塑性也有影响，铁素体体积分数越大，B钢塑性越大。由表2可知，从B-0处到B-3处，铁素体体积分数不断增大，因此，B钢边缘抗拉强度和伸长率均最大。

由表2可知，随着取样位置越靠近B钢边缘，其晶粒尺寸越小。晶粒的尺寸决定了晶界的数量。在室温下，晶界对B钢中位错的滑移具有阻碍作用，从而影响B钢的起始塑性变行抗力^[17]。根据Hall-Petch公式：

$ \qquad\sigma_{ }=\sigma_0+kd^{-1/2} $

(1)

式中：$ \sigma_{ } $为多晶体的屈服强度；$ d $为晶粒的平均直径；$ {\sigma }_{0} $为对变形的阻力，相当于极大单晶的屈服强度；$ k $为晶界对变形的影响系数，与晶界结构有关^[18]。当多晶体晶粒的平均直径减小时，多晶体屈服强度提高，因此，B钢边缘屈服强度最好。

2.3 断口分析

图9为B钢不同取样位置断口的SEM图。由图9可知，B钢不同取样位置断口均存在颈缩现象，且凹凸不平；B-0处断口主要为韧窝和部分准解理面，此处塑性最差；B-1处断口主要为韧窝和少量准解理面，此处塑性有所提高；B-2处断口主要为韧窝状断口，韧窝分布均匀，为典型的韧性断裂，此处塑性比较好；B-3处断口为比较致密的韧窝，同时出现了较大尺寸的韧窝，为典型的韧性断裂，此处塑性最好。

3 结　论

（1） 经450 ℃回火后，B钢为板条贝氏体、粒状贝氏体和铁素体的混合组织。取样位置越靠近B钢边缘，其中板条贝氏体体积分数越大，板条束长度越短、宽度越小，粒状贝氏体体积分数越小，马奥岛尺寸和晶粒尺寸越小。

（2） 大直径B钢边缘的力学性能最好。随着取样位置越靠近B钢边缘，其洛氏硬度、抗拉强度、屈服强度和伸长率均越大。B钢边缘洛氏硬度、抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到38.1、1080.5 MPa、828.1 MPa、15.6%。