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第23卷第2期2015年4月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYllVol23llNo2Apr.2015doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20150222不同热处理条件下30CrMnSiNi2A钢的组织性能研究袁书强,沈正祥,周春华,刘峰涛,王芳,杨辉,陈炯(北方材料科学与工程研究院有限公司宁波所,浙江宁波315103)摘要:为考察热处理工艺对材料性能的影响,对不同回火温度下三种碳含量的30CrMnSiNi2A钢的性能进行实验研究,并分析其组织和断口形貌.研究结果表明:低温回火时30CrMnSiNi2A钢具有较高的强度和硬度,其内部组织为回火马氏体,断口形貌为韧窝断口;当碳含量增大,30CrMnSiNi2A钢的强度也增大;随着回火温度升高,30CrMnSiNi2A钢的强度和硬度逐渐下降,伸长率和断面收缩率却总体呈上升趋势,其组织向索氏体转变,断口形貌变为解理和沿晶断口,回火脆性与其内部形核有关.关键词:马氏体;力学性能;断口形貌;回火脆性中图分类号:TG15文献标志码:A文章编号:1005-0299(2015)02-0125-04Microstructureandpropertyof30CrMnSiNi2AindifferentheattreatmentYUANShuqiang,SHENZhengxiang,ZHOUChunhua,LIUFengtao,WANGFang,YANGHui,CHENJiong(NingboInstitute,ChinaNorthMaterialScienceandEngineeringTechnologyGroupCorporation,Ningbo315013,China)Abstract:Toinvestigatetheeffectofheattreatmentonthepropertyof30CrMnSiNi2A,themicrostructureandfractographyof30CrMnSiNi2Awiththreecarboncontentsatdifferenttemperingtemperaturewereanalyzed.Theexperimentalresultsshowthatthestrengthandrigidityof30CrMnSiNi2Aarehighatlowtemperingtemperature,ofwhichthemicrostructureistemperedmartensiteandthefracturemorphologyisdimplefracture.Theincreaseofcarboncontentresultsinincrementofstrength.Withincreasingoftemperingtemperature,thestrengthandrigidityof30CrMnSiNi2Adecrease,whiletheelongationandreductionofareaincreaseinall,themicrostructuretransformsintosorbitestructureandthefracturemorphologybecomescleavageandintergranularfracture,duringwhichthetemperbrittlenessisrelatedtonucleation.Keywords:martensite;mechanicalproperty;fracturemorphology;temperembrittlement收稿日期:2013-10-23.基金项目:宁波市重大科技攻关项目(2009B10011).作者简介:袁书强—(1961),男,研究员.通信作者:沈正祥⁃,Email:shenzx84@163.com.30CrMnSiNi2A是一种常见的超高强度合金钢,因具有较好的延性及韧性,已广泛应用于我国航空工业[1-3].材料的成分[4]或热处理工艺不同[5-6],其性能会出现很大差异.为保证后续加工的顺利进行,材料性能(如硬度)成为热处理环节考虑的重要因素,故降低材料硬度是改善材料加工性能的一种重要环节[7-8].为此必须考虑材料成分不同,尤其是碳含量不同对热处理后材料硬度的影响,才能制定出合理热处理工艺[9-10].本文对不同碳含量及不同回火温度下30CrMnSiNi2A的性能进行研究,并对其组织和断口形貌进行观察,分析了回火脆性的原因.1实验1.1试样制备为了确保试样材料具备良好的综合性能,根据冶标硫磷含量小于0.02%wt的要求,采用中频感应炉进行熔炼,在熔炼过程中加入锰铁、铬铁、硅铁、生铁、纯镍调节合金成分,冶炼出上、中、下限材料并改锻成Ф60mm的电极棒,电渣工艺采30%AL2O3+70%CaF渣系、电压42V、电流1800~2000A冶炼,试样冶炼结果如表1所示.表130CrMnSiNi2A的化学成分(质量分数/%)材料CSiMnSPCrNi上限0.3581.051.170.00690.01961.111.88中限0.3321.061.190.01100.01801.021.75下限0.2740.981.030.00830.01700.91.881.2锻造及热处理试件材料锻造时,始锻温度为1180~℃1200,终锻温度大于℃850,锻后退火温度为℃680,保存6h后随炉冷至℃200出炉.锻件形状分两种,其尺寸分别为15mm×70mm×300mm和Ф60×(1600~1800)mm.拉伸试验采用Ф5mm型试件,冲击试验采用U型缺口试件.热处理时首先进行℃910×1.5h正火处理,然后进行℃900×1.5h淬火处理和℃180×3h预回火处理,最后根据不同的强度要求在℃180~530范围内进行回火,测定每个回火温度条件下的材料性能.2结果分析与讨论2.1力学性能在℃180~530之间选取8个温度点进行回火,3种碳含量下试件的典型力学性能如图1~3及表2所示.200018001600140012001000800200300400500回火温度/℃σb、σ0.2/MPa碳含量0.332%碳含量0.274%碳含量0.358%图1回火温度对抗拉强度及屈服强度的影响302520151050σS/%回火温度/℃200300400500碳含量0.332%碳含量0.274%碳含量0.358%图2回火温度对伸长率的影响706050403020150250350450550Ψ/%碳含量0.332%碳含量0.274%碳含量0.358%回火温度/℃图3回火温度对断面收缩率的影响表2不同回火温度下30CrMnSiNi2A的硬度回火温度/℃硬度(HRB)1804923048.52804833046.538042.5430414803953035可以看出低温回火后30CrMnSiNi2A具有较高的强度和硬度,随着回火温度升高,其强度和硬度均逐渐下降,伸长率和断面收缩率则总体呈上升趋势,塑性变形能力增强.图4为不同回火温度下30CrMnSiNi2A屈服强度与碳含量的关系,可看出随着碳含量增加,30CrMnSiNi2A的强度变大.当回火温度升高,尽管强度下降,但其延性和韧性增加.16001500140013001200110010000.260.280.300.320.340.360.38碳含量/%屈服应力/MPa回火温度180℃回火温度230℃回火温度280℃回火温度330℃回火温度380℃图4不同回火温度下碳含量与屈服强度的关系2.2组织及断口形貌分析马氏体回火过程可分为四个阶段,即ε碳化物析出阶段、残留奥氏体分解阶段、渗碳体形成阶段和晶格回复及碳化物长大阶段[13-14].从晶格常数回复角度来看,可分为高碳马氏体向低碳马氏体转化阶段、低碳马氏体保持阶段及低碳马氏体向铁素体转化阶段.在此过程中马氏体的碳含量·621·材料科学与工艺第23卷由于ε相析出迅速将为0.25%,当回火温度进一步升高,ε碳化物向θ及χ碳化物转化,马氏体的碳含量减为0.02%并伴随出现回火脆性.碳钢的回火脆性一般在℃200~400回火时出现,合金钢℃250~450回火出现,但造成回火脆性的机制尚未完全澄清.图5为不同回火温度下30CrMnSiNi2A的显微组织,可以看出℃280以下其组织主要为回火马氏体.随着回火温度升高,碳化物逐渐长大,组织也从回火马氏体向索氏体转变.100μm100μm100μm100μm100μm100μm100μm100μm(a)碳含量0.358%,回火温度180℃(b)碳含量0.274%,回火温度180℃(c)碳含量0.385%,回火温度230℃(d)碳含量0.274%,回火温度230℃(e)碳含量0.358%,回火温度280℃(f)碳含量0.274%,回火温度280℃(g)碳含量0.358%,回火温度330℃(h)碳含量0.274%,回火温度330℃图5不同回火温度下30CrMnSiNi2A的显微组织图6为不同回火温度下30CrMnSiNi2A的断口形貌,可看出℃280以下回火时其断口形貌均为韧窝断口.随着回火温度升高,断口形貌逐渐变为解理及沿晶断口.当碳含量为下限时,试件在℃330回火后其断口为韧窝加少量小平面;在℃380回火后其断口为准解理;在℃430以上回火其基本为沿晶断口.当碳含量为上限时,试件在℃330~380回火后其断口为准解理,而℃430以上回火其断口全部为沿晶.(a)碳含量0.358%,回火温度180℃(b)碳含量0.274%,回火温度180℃(c)碳含量0.385%,回火温度230℃(d)碳含量0.274%,回火温度230℃(e)碳含量0.358%,回火温度280℃(f)碳含量0.274%,回火温度280℃(g)碳含量0.358%,回火温度330℃(h)碳含量0.274%,回火温度330℃图6不同回火温度下30CrMnSiNi2A的断口形貌不同成分的钢引起回火脆性的原因往往是不相同的,因此不能单凭一种脆化机制解释钢的回火脆[15].就30CrMnSiNi2A而言℃,180~280回火时其金相组织为回火马氏体,呈束状排列且具有明显的方向性,随着回火温度升高,马氏体板条加宽,碳化物逐渐长大,方向性消失℃.330回火时,可发现ε碳化物明显聚集长大,其组织也由回火马氏体转变为索氏体.同时断口形貌也从韧窝断口向解理及沿晶断口转变,这些现象表明试件出现了回火脆性[11].ε碳化物的析出一般会伴随着马氏体晶格参量的变化,晶格参量的第一个陡降阶段℃(25~180)对应着ε碳化物的析出及高碳马氏体向低碳马氏体的转化过程.第二个陡降阶段℃(280~330)晶格参量c/a趋于1,这个阶段·721·第2期袁书强,等:不同热处理条件下30CrMnSiNi2A钢的组织性能研究恰好是回火马氏体向索氏体转化的过程,因而可证明ε碳化物开始向θ及χ碳化物转化时,形核是造成回火脆性的主要原因之一[12].3结论1)30CrMnSiNi2A在低温回火时具有较高的强度和硬度,随着回火温度升高,其强度和硬度均逐渐下降,但伸长率和断面收缩率却总体呈上升趋势,塑性变形能力增强;当碳含量增大,30CrMnSiNi2A的强度变大.2)当回火温度低于℃280时,30CrMnSiNi2A的组织为回火马氏体;当回火温度升高时,碳化物长大,其组织也由回火马氏体向索氏体转变.3)回火温度低于℃280时,30CrMnSiNi2A的断口形貌均为韧窝断口;随着回火温度升高,其断口形貌逐渐演变为解理及沿晶断口.4)ε碳化物开始向θ及χ碳化物转化时,形核是造成30CrMnSiNi2A回火脆性的主要原因之一.参考文献:[1]牛靖,董俊明,何源,等.超高强钢30CrMnSiNi2A冲击韧度试验研究[J].机械强度,2006,28(4):607-610.NIUJing,DONGJunming,HEYuan,etal.Instrumented⁃impactpropertiesof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