淬火脆性是指在淬火后材料产生韧性下降，从而导致开裂，通常是晶间断裂。在热作模具钢中，如H13钢，以往的文献对于这类钢的淬火脆性研究较少，尤其是机理的研究。
本文通过对2种热作模具钢在不同冷速下淬火，研究淬火脆性现象，分析热作模具钢碳化物的析出和贝氏体的产生对于脆性的影响，从而探讨热作模具钢淬火脆性的主要机理。
01
实验方法
1.1 模具钢气淬处理
采用真空高压氮气淬火炉对模具钢进行气淬处理（6bar气压下），将牌号为1.2344和1.2365mod的模块置于两个较大的P20模块间（图1），模块厚度为400mm。
Fig.1 a）材料和热电偶示意图 b）试样模块的图片 c）热电偶放置图
1.2 冲击韧性和硬度测试
采用马弗炉对15×15×20mm的小试样加热后进行油淬，其快速冷却曲线如图2a所示，并与慢冷曲线进行对比。
随后将淬火后的试样在600-630℃进行2次回火，每次2小时，将硬度调整为45HRC左右，之后根据ISO标准，加工成V2型缺口冲击试样。
采用 15 J 冲击锤和显微硬度计进行冲击韧性和硬度测试。
Fig.2 a）模块冷却曲线 b）1.2365mod的冷却曲线图
1.3 不同淬火冷却条件试样的制备
采用热膨胀仪对膨胀试样以及带有0.2mm缺口的微冲击试样进行不同冷速下淬火试验。具体工艺为将试样奥氏体化（加热速度为0.3℃/s，加热到1020℃后保温30min），然后采用4种不同的冷却条件进行冷却（图2b），并进行2次回火。4种冷却条件为：
工业级模具钢模块典型冷却速度恒定为0.2℃/s。
实验室试样快速淬火冷却速度恒定为5℃/s。
全贝氏体通过快速冷却（5℃/s）至500℃保温2600s进行等温相变，然后缓慢冷却（0.2℃/s）得到。
全碳化物通过慢冷到800℃（0.2℃/s），然后快冷（5℃/s）得到。
在50℃保温10min后，进行2次回火（加热速度为0.3℃/s，每次保温2小时，冷却速度为1℃/s）得到相似的使用硬度。对于1.2344，回火温度为590℃-610℃，硬度为44HRC左右。对于1.2365mod，回火温度为610℃-625℃，硬度为48HRC左右。
1.4 微观组织表征
采用光学显微镜对试样进行微观组织观察（腐蚀剂：3%硝酸酒精）。
02
实验结果
2.1 硬度与冲击韧性
模块高压氮气淬火结果如图3所示，对于不同的冷却条件，硬度没有表现出异常现象，而韧性受到冷却速度影响较大。
油淬的微尺寸试样冲击韧性均高于20J/cm2，而从模块上切取的试样冲击韧性明显偏小，1.2365mod钢的韧性下降更为明显。此外，取自模块表面的试样的冲击韧性均高于取自心部的试样，通过断口分析，所有试样均为解理断裂，未发现沿晶断裂。
Fig.3 a）2种钢在不同冷却条件下的硬度 b）冲击韧性
2.2 热膨胀曲线
通过膨胀仪测得1.2365 mod钢的热膨胀曲线如图4所示。
5℃/s冷速下（实验室试样），其Ms点为310℃。在0.2℃/s冷速下（工业试样），可以观察到马氏体和贝氏体的混合组织，其Bs温度为325℃，Ms温度为260℃。全贝氏体冷却条件下，贝氏体转变温度Bs为320℃，马氏体转变温度Ms为250℃。完碳化物冷却条件下，试样的Ms点为310℃。
Fig.4 1.2365 mod钢不同热处理条件下的膨胀曲线
2.3 微观组织
图5是4种不同冷却条件下的微观组织。图5a中，快速冷却实验试样为全马氏体组织。慢速冷却的工业试样（图5b）的腐蚀区域较暗，这可能与显微组织中贝氏体组织有关，此外能够清晰地看到奥氏体晶界。图5d的晶界的腐蚀不够清晰，组织中出现了很多碳化物，全贝氏体冷却条件下，组织中出现贝氏体板条组织（图5c）。
全贝氏体冷却条件下的分级淬火得到了预期的马氏体和贝氏体组织，与工业试样具有相似的组织，但没有明显的晶界。仅有碳化物的试样晶界明显，具有全马氏体组织。
Fig.5 不同淬火冷却条件下金相组织
2.4 冲击实验
对比两种钢在不同冷却条件下的微冲击试验结果如图6所示.
微冲击试样在膨胀仪中进行淬回火处理。对于 1.2365mod钢，快冷(实验室试样)和慢冷(工业试样)冲击韧性具有显著的差别。淬火初始慢冷时晶界处碳化物的析出对韧性的影响远大于贝氏体的形成。例如，全贝氏体条件下韧性值下降约15%，同时全碳化物的韧性减少了45%。
Fig.6 a）1.2365 mod和 b） 1.2344在不同冷却条件下的冲击韧性
04
结论
热作模具钢的淬火脆性主要原因是在淬火缓慢冷却过程中，碳化物优先在奥氏体晶界中析出，导致冲击韧性显著下降，是贝氏体组织对韧性影响的几倍。如果结合磷在奥氏体晶界处偏析，脆化效应会加强，并导致晶间发生断裂。
译文转载出处：
Rafael A. Mesquita , Reinhold S. E. Schneider , Renato Logiudice , Joao H. Storopoli，Quench embrittlement in hot work tool steels[C], The 12th TOOLING 2020 Conference & Exhibition.
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