深度低温处理对M2高速钢裂纹起始及扩展行为的影响

《Materials Characterization》：Effect of deep cryogenic treatment on crack initiation and propagation behavior in M2 high-speed steel

M2高速钢深冷处理（DCT）通过促进不稳定奥氏体转变为马氏体、细化晶界并均匀分布碳化物，显著提升断裂韧性达33.8%。DCT未改变裂纹起始点，但通过多尺度微观结构演变有效抑制裂纹扩展，表现为裂纹偏转、钝化和分支，同时优化应力场分布与应变协调机制。

　　

许桂林|吴志强|黄鹏|胡俊|周一涵|祖国胤

湖南科技大学三亚学院，中国海南三亚572025

摘要

本研究系统地探讨了深度深冷处理（DCT）对M2高速钢（HSS）微观结构演变和断裂韧性的影响，特别关注微观结构变化在裂纹起始和扩展行为中的关键作用。结果表明，DCT促进了不稳定保留奥氏体的转变，通过细化亚结构显著增加了马氏体边界的密度，并促进了碳化物的均匀分布，从而使断裂韧性提高了33.8%。尽管DCT没有改变裂纹起始位置，但它对裂纹扩展行为有显著影响。在传统处理的样品中，裂纹沿先前的奥氏体边界或直接穿过初级碳化物扩展。而经过DCT处理的样品则表现出频繁的裂纹偏转、钝化和分支现象，这是由于马氏体变体单元的细化、马氏体块边界密度的增加以及细小碳化物的均匀分布。此外，马氏体的细化降低了Schmid因子，并增强了裂纹路径附近的应力不均匀性，从而抑制了有利滑移系的激活并促进了应力不均匀分布。因此，在裂纹前沿形成的位错屏蔽区有效降低了局部应力强度因子，提高了裂纹抗力。本研究阐明了DCT提高HSS韧性的机制，并为微观结构设计和工艺优化提供了有用的指导。

引言

高速钢（HSS）作为一种典型的工具钢，由于其优异的耐磨性、红硬度和热机械稳定性，在切削工具、模具、轴承和高温结构组件的制造中得到广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]。在各种HSS等级中，M2 HSS因其良好的合金成分、优异的加工性能以及性能与成本的良好结合而成为工业上的首选[5]、[6]。随着现代制造业的不断发展，HSS越来越多地面临高温、重载和循环应力等严苛的使用环境。断裂韧性作为评估材料抗裂纹起始和扩展能力的关键参数[7]、[8]，直接决定了其使用寿命和可靠性[9]、[10]。此外，裂纹起始和扩展被认为是HSS的主要失效机制[11]、[12]、[13]、[14]。因此，控制HSS中裂纹起始和扩展的机制一直是广泛研究的焦点。

近年来，深度深冷处理（DCT）已被证明可以通过多尺度微观结构演变显著提高HSS的断裂韧性[15]、[16]、[17]。首先，DCT对碳化物的调控在阻碍裂纹扩展方面起着关键作用。Yarasu等人[18]在Vanadis 6钢中观察到，碳化物数量的增加和更均匀的分布进一步增强了裂纹路径的钉扎和偏转，从而阻碍了裂纹扩展并显著提高了断裂韧性。同样，Jovi?evi?-Klug等人[19]报告称，DCT促进了AISI M3:2 HSS中次级碳化物的细化和均匀沉淀。这一过程改善了裂纹前沿的应力分布，增强了界面凝聚力，并有效抑制了连续裂纹的扩展。Pta?inová等人[20]进一步发现，DCT过程中形成的纳米级碳化物簇在裂纹前沿形成了局部能量耗散区。通过位错钉扎和裂纹尖端钝化机制，这些区域减轻了局部应力集中，从而提高了断裂韧性。其次，DCT还调控了基体微观结构。Jovi?evi?-Klug等人[19]还报告称，DCT促进了AISI M3:2 HSS中保留奥氏体（RA）向马氏体的转变，这对提高断裂韧性有积极作用。Xu等人[21]在M35 HSS中进一步证明，DCT结合多次回火处理可以由于RA的完全转变和引入高密度位错而提高冲击韧性。这些变化不仅促进了次级碳化物的均匀沉淀，还细化了马氏体，从而改善了裂纹尖端的塑性适应能力并增强了裂纹抗力。Zhu等人[22]在M2 HSS中证实，DCT细化了多级马氏体结构，并诱导了细小M?C和MC型碳化物的均匀沉淀，协同形成了稳定的应力传递和位错钉扎网络。结果，裂纹路径发生偏转，局部应力集中显著降低，断裂韧性比传统热处理提高了约18–22%。总的来说，这些发现表明DCT通过促进碳化物沉淀和RA转变以及细化微观结构，有效抑制了裂纹扩展并显著提高了韧性。然而，大多数研究主要集中在DCT引起的微观结构演变上，而这些多尺度微观特征如何影响裂纹前沿附近的应力分布和取向演变机制仍不够清楚。这种机制理解的不足限制了对断裂韧性的精确控制。因此，有必要进行更系统的研究以阐明这些机制，并为提高经过DCT处理的HSS的断裂韧性提供理论基础。

本研究对传统热处理（CHT）和DCT样品进行了比较研究。基于裂纹扩展过程中的微观结构响应和裂纹尖端演变特性，系统分析了DCT引起的微观结构细化、碳化物沉淀和晶体取向变化对裂纹前沿附近局部应力分布和裂纹扩展路径的影响。揭示了与M2 HSS多尺度微观结构相关的裂纹起始和扩展行为，加深了对DCT如何提高其断裂韧性的机制理解。研究结果为高韧性及耐损伤HSS的微观结构优化提供了理论基础和工艺指导。

实验部分

实验

本研究的原材料是M2 HSS，由白俄罗斯国立技术大学实验室熔炼设施通过回收HSS废料重新熔炼制成[23]。原材料的化学成分通过光发射光谱法（OES）确定，如表1所示。

根据以往研究[4]、[21]中报告的优化参数，完整的热处理过程如图1所示。所有样品均从880°C开始加热。

微观结构特征

图2显示了在所施加的热处理条件下M2 HSS的相变行为和相组成。如图2a所示，热力学计算表明，当温度接近850°C时，发生了明显的铁素体向奥氏体的相变。在880°C的淬火温度下，微观结构主要为奥氏体，同时仍有一定量的M?C和MC碳化物未溶解，对应于初级碳化物

结论

本研究系统地探讨了DCT对M2 HSS的微观结构、裂纹起始和扩展行为的影响。主要结论如下：

(1) DCT通过减少保留奥氏体（RA）、细化马氏体块和变体单元、增加马氏体块边界（BBs）和变体边界（variant boundaries）的密度以及促进细小碳化物（SSCs和NCs）的均匀分布，显著改变了最终回火后的微观结构。这些微观结构演变共同提高了断裂抗力。

作者贡献声明

许桂林：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析。吴志强：撰写——审阅与编辑、资金获取、数据分析。黄鹏：验证、研究。胡俊：撰写——审阅与编辑、数据分析。周一涵：撰写——审阅与编辑。祖国胤：项目管理、资金获取、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了辽宁省国际工业技术研发项目（2025JH2/101900021）、国家自然科学基金（编号52274381）、辽宁创新人才计划（编号XLYC1902097）以及中央高校基本科研业务费（编号N172410006–1）的支持。同时，特别感谢东北大学分析测试中心在仪器和数据分析方面的支持。