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图3.3(a)至(d)为加热860℃加热40min油淬，又分别在150℃、200℃、250℃、300℃回火保温1h的金相组织图谱。从照片上可以看出随着回火温度的升高，组织逐渐由回火马氏体→回火屈氏体→回火索氏体的方式转变，这样的组织转变使材料的脆性降低，塑韧性进一步提高。

钢经过淬火获得的马氏体组织不能直接使用，需要进行回火，以降低脆性，增加塑形和韧性。钢在淬火后组织主要是由马氏体或马氏体+残余奥氏体组成，在回火过程中发生的转变主要是马氏体的分解及残余奥氏体的转变。

马氏体的碳质量分数随着回火温度的升高，马氏体中碳质量分数不断降低。高碳钢的碳质量分数随回火温度升高而降低很快，低碳钢的钢中质量分数降低较缓。碳钢在200℃以上回火时，在一定的回火温度下，马氏体具有一定的碳质量分数，回火温度越高，马氏体碳质量分数越低。

金属材料的性能决定于材料的成分和组织。对于一般钢来说，淬火组织主要为马氏体以及少量残余奥氏体，故其淬火态以及回火后性能主要也决定于马氏体以及马氏体分解产物的性能。

像GCr15SiMn钢这样的高碳钢，在200℃一下回火时，随着回火温度升高，硬度不仅不下降，反而有所升高，马氏体碳质量分数越高，硬度值升高越明显。回火超过200℃后，由于碳的进一步析出，将使硬度下降，但此时由于有较多的残余奥氏体发生了转变，故硬度下降很慢。 3.6分析与讨论

3.6.1细小碳化物对轴承钢性能影响

细小的碳化物的外形较为圆滑．减小了应力集中，从而使产生裂纹所需的应力提高，裂纹扩展临界应力也提高，因而使裂纹扩展相应缓慢[31]；而粗大的碳化物的外形的圆度就差，容易形成较尖锐或凸凹的边缘，当受到外力作用时，在这些位置容易与基体产生应力集中而成为疲劳源，产生裂纹，从而会降低轴承韧性和抗疲劳性，缩短使用寿命。另外，粗大碳化物的存在还将造成在其附近和远处的碳浓度出现很大的差异，导致轴承零件热处理淬回火后的组织和显微硬度也存在较大的不同，碳浓度过高或过低的区域寿命下降。而碳化物分布弥散，则马氏体基体中的含碳量在碳化物附近以及较远处都比较接近，因而使基体的强韧性均匀一致。因此，为了避免轴承钢中未溶碳化物的危害，对轴承钢中未溶碳化物的要求是尺寸细小、

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分布均匀、碳化物呈球形。这可通过对原材料加以控制或在淬火前后采用合适的工艺细化碳化物，从而得到理想的碳化物形态与分布。

3.6.2残余奥氏体含量对轴承钢性能影响

轴承材料中残余奥氏体的存在将降低材料的硬度，并且由于马氏体量减少 使材料本身强度降低[32]。若残余奥氏体处于亚稳定状态，在工作过程中，将向马 氏体组织转变，体积发生膨胀，会破坏工件外形尺寸精度，并且材料易产生塑 性变形，经多次循环载荷作用后就会产生裂纹，从这个角度看，残余奥氏体的 存在会损害材料的耐磨性。倘若轴承材料中的残余奥氏体处于稳定状态，则此 时残余奥氏体处于等轴压力状态，等轴压力不会引起塑性变形，这部分残余奥 氏体很少再发生转变，它在磨损过程中以韧性相出现，起到增加韧性、缓和应 力集中和延缓裂纹扩展等作用，因此，不能简单地说残余奥氏体对材料的耐磨 性有益或有害。

3.7 GCrl5SiMn钢的合金化作用

轴承钢钢高强度化的最主要手段是研究开发新钢种,为此必须了解各种合金元素的作用,科学合理地设计钢的化学成分,充分有效地发挥各种合金元素的作用。

1.碳

碳是钢中的主要强化元素,溶解在钢中形成固溶体,起固溶强化作用,它与强碳化物形成元素结合形成碳化物析出时,起沉淀强化作用。碳对轴承钢的强度、硬度、塑性、韧性、脱碳倾向、显微组织都有很大影响。其影响往往超过其它合金元素[22]。同时碳是对钢的强度贡献最大的元素,也是影响抗弹性最大的元素[23]。

2.硅

很多轴承钢以硅为主要合金元素,硅具有固溶强化作用,不形成碳化物,基本上以固溶态存在于钢中,在常用合金元素中硅的固溶强化作用最强。硅能改变回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态,提高钢的回火稳定性[24]。据报道[25],在含0.60% C、0.90%Mn、0.20%Mo的钢中,随着硅含量增加,碳化物颗粒数目增加,而碳化物颗粒尺寸和间距则缩小。钢中加入硅，可以强化铁素体，提高强度、弹性极限和淬透性，改善抗回火软化性能。在高碳铬轴承钢中，硅使钢的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向性增大。虽然有的研究认为，含硅轴承钢马氏体中的硅的含量达到1.50％时，对提高疲劳寿命作用较大，并能改善钢在淬回火状态下的韧性。但是，硅使钢在球化

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退火状态下的切削和冷加工性能变坏。所以，一般应把硅控制在0.80％以下，最好不超过0.50％。在渗碳轴承钢中，硅和锰的复合作用，能显著提高渗碳层的回火稳定性，硅含量越高，抗回火性能越好。

3.锰

锰是在轴承钢中仅次于硅的常用合金元素。锰是一种有利于消除硫的有害作用又有利于脱氧的元素。锰显著提高淬透性，改善热处理性能，强化基体和细化珠光体组织，从而提高钢的强度和硬度 。此外，锰是扩大奥氏体区的元素，具有推迟A-a转变过程的作用，随着Mn含量的增加，相变开始温度降低。在高碳铬轴承钢GCr15SiMn中锰是作为脱氧元素，而在GCr15SiMn中才是作为合金元素加入。锰能显著提高钢的淬透性，部分锰溶于铁素体中，提高铁素体的硬度和强度。锰能固定钢中硫的形态并形成对钢危害较小的MnS和（Fe,Mn)S,减少或抑制FeS的生成。因此，在高碳铬轴承钢中含少量锰，能提高钢的性能和纯洁度。 4.铬

铬能显著提高钢的淬透性,与锰共用效果更好。铬可降低钢中碳的活度,又是碳化物形成元素,提高钢中碳扩散的激活能,减轻钢的脱碳倾向[26]。的高硅钢中,回火时硅和铬的倾向不同,硅倾向于稳定ε碳化物,阻碍向θ碳化物(Fe3C)转变,使硅脱离Fe3C位置。而铬倾向于聚集在Fe3C中。

四、 结论

通过采用不同加热时间、温度淬火和不同温度下回火实验，结合组织性能测试分析，可以得出以下结论：

1）淬火温度对GCr15SiMn钢组织性能的影响：如在770℃-860℃随着淬火温度的升高，组织中的铁素体慢慢溶入奥氏体中越来越少，而马氏体组织越来越均匀，硬度增大，综合性能提高 。在860℃-890℃随着淬火温度的升高，奥氏体充分长大，油冷后马氏体晶粒粗大，且有带状出现，硬度快速降低。获得的组织为隐针马氏体+残余奥氏体+少许碳化物。因此860℃是GCr15SiMn钢的最合理的淬火温度。 2）回火温度对GCr15SiMn钢组织和性能的影响：随着温度的升高，钢件中马氏体质量分数减少，其硬度降低。但是通过对回火后的硬度值以及冲击韧性值的综合比

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较，150℃是最合理的回火工艺，此时，钢件的硬度值为59HRC，冲击韧性为14.25J/cm2。组织为回火马氏体+少量碳化物+残余奥氏体。

3）综上所述，810℃保温2h，随炉冷却至650℃，再出炉空冷（球化退火预处理）+860℃淬火40min+150℃回火1h是GCr15SiMn钢的最好热处理工艺。图4.1为最佳热处理工艺流程图。

6）得到了GCr15SiMn钢在不同的温度下淬火、回火的金相图谱。

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