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通过细化多层次组织是金属材料强韧塑化及其提高疲劳性能的重要发展方向,对马氏体钢不同层次组织与强韧性关系的规律进行了大量研究,但对马氏体钢的强韧性“有效控制单元”至今无定论,且多层次组织参量与不同韧性指标耦合关系规律的研究未见报道。本文以20CrNi2Mo钢为研究对象,通过不同淬火温度和淬火速率等热处理手段获得不同层次尺寸条状马氏体组织,并通过OM、SEM、EBSD及TEM等技术定量表征各层次组织尺寸,研究了多层次组织结构与马氏体力学性能的关系,探讨条状马氏体钢强韧性的“有效晶粒尺寸”,建立多层次组织结构与韧性的关系模型。20CrNi2Mo钢经淬火低温回火后为条状马氏体组织,随淬火温度提高,原奥氏体晶粒尺寸、马氏体束尺寸及马氏体块宽均增大,而马氏体板条宽减小。20CrNi2Mo钢的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率及硬度随淬火温度提高均减小,而伸长率、冲击韧性和断裂韧性均增大。随淬火速率提高,除原奥氏体晶粒尺寸不受影响外,其他各层次组织均被细化。A组20CrNi2Mo钢的屈服强度、抗拉强度、断面收缩率、洛氏硬度及J1C随淬火速率提高均增大,而伸长率及冲击韧性减小;由于孪晶的形成,B组20CrNi2Mo钢的抗拉强度和硬度均随淬火速率增大而呈现先增后降趋势,而伸长率先降后增。20CrNi2Mo钢的抗拉强度和屈服强度与马氏体束尺寸、马氏体块宽及马氏体板条宽的-1/2次方之间均满足Hall-Petch关系。马氏体块宽为板条马氏体强度的“有效控制单元”。在不同淬火温度下,其冲击韧性和断裂韧性与马氏体板条宽的-1/2次方满足Hall-Petch关系,即马氏体板条尺寸为冲击韧性和断裂韧性的“有效控制单元”;在不同淬火速率下,其断裂韧性与马氏体板条宽的-1/2次方满足Hall-Petch关系,即马氏体板条宽为断裂韧性的“有效控制单元”。初步建立多层次组织与马氏体钢韧性的关系模型,即Di=di/nδ。经计算得:原奥氏体晶粒尺寸约为n?的1/3,且dr/n?(A4)﹥1,而马氏体束尺寸、马氏体块宽及马氏体板条宽与n?的比值均小于1,且马氏体板条宽与2?的比值远小于1。当淬火温度提高,穿条界能耗J1增大,裂纹偏转能耗J2和沿条界扩展能耗J3减小;当淬火速率提高,穿条界能耗J1和裂纹偏转能耗J2增大,沿条界扩展能耗J3减小。