摘 要:采用熱處理試驗、拉伸試驗、沖擊試驗、金相檢驗和斷口分析等方法,分析了熱處理工藝 對16Mn鋼鍛件的顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:在相同正火溫度下,隨著正火冷卻速率 的提高,16Mn鋼鍛件的抗拉強度、屈服強度和硬度均呈上升趨勢,斷后伸長率呈下降趨勢,斷面收 縮率變化不明顯,-20 ℃沖擊吸收功均高于標(biāo)準(zhǔn)值(不小于41J);在920 ℃正火條件下,16Mn鋼 鍛件的綜合力學(xué)性能最優(yōu);在相同正火溫度下,采取水冷方式進(jìn)行冷卻后,16Mn鋼鍛件的綜合力 學(xué)性能優(yōu)于其他兩種冷卻方式(噴淋、空冷)獲得的鍛件綜合力學(xué)性能;在920 ℃正火+水冷條件 下,16Mn鋼鍛件的綜合力學(xué)性能最優(yōu),其組織為貝氏體+少量鐵素體。
關(guān)鍵詞:熱處理工藝;16Mn鋼;鍛件;顯微組織;力學(xué)性能
中圖分類號:TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)03-0006-04
16Mn鋼是最常見的壓力容器鍛造材料之一。 在壓力容器生產(chǎn)過程中,通過成分設(shè)計和冶煉、熱處 理等工藝參數(shù)調(diào)整可以控制材料的成分、組織和性能,最終達(dá)到提高材料綜合性能的目的[1-3]。在日常 檢測中,由于影響因素較多,16Mn鋼產(chǎn)品的力學(xué)性 能檢測結(jié)果容易出現(xiàn)異常,導(dǎo)致分析時間較長,進(jìn)而 影響產(chǎn)品的制造周期。目前,研究16Mn鋼鍛件的 熱處理制度的相關(guān)文獻(xiàn)較多,而研究不同熱處理工 藝下16Mn鋼鍛件的力學(xué)性能和顯微組織的相關(guān)報 道較少。筆者采用熱處理試驗、拉伸試驗、沖擊試驗 和金相 檢 驗 等 方 法,研 究 了 不 同 熱 處 理 工 藝 下 16Mn鋼鍛件的顯微組織和力學(xué)性能,以期為16Mn 鋼的理論研究和實際生產(chǎn)提供參考。
1 試驗材料與方法
試驗用材料為16Mn鋼鍛件(供貨態(tài)為正火), 其化學(xué)成分見表1。按照制定的熱處理工藝(表2), 采用高溫箱式電阻爐對16Mn鋼鍛件進(jìn)行熱處理, 在室溫下將樣坯裝于爐內(nèi),然后按設(shè)定的速率升到 保溫溫度,保溫一定時間。在正火處理時,分別采用 水冷、噴淋及空冷等3種冷卻方式。
采用 CMT5305型微機控制電子萬能試驗機,對試樣進(jìn)行拉伸試驗,試樣規(guī)格為?10mm,每組設(shè) 置3個平行試樣,取平均值。采用 ZBC2602N-3型 夏比擺錘沖擊試驗機,對試樣進(jìn)行沖擊試驗,試樣尺 寸 為 10 mm ×10mm×55 mm,試 驗 溫 度 為 -20 ℃,每組設(shè)置6個平行試樣。采用 THBS3000E 型布氏硬度試驗機,對試樣進(jìn)行硬度測試,加載力為 7.355kN,保載15s。采用 GX51型光學(xué)顯微鏡,對試 樣進(jìn) 行 金 相 檢 驗。采 用 JSM-IT300 型 掃 描 電 鏡 (SEM)觀察試樣的沖擊斷口形貌。
2 試驗結(jié)果
2.1 不同熱處理工藝下16Mn鋼鍛件的力學(xué)性能
由表3 可 見:3-3 號 試 樣 的 抗 拉 強 度、屈 服 強 度、硬度,3-1號試樣的抗拉強度以及4-3號試樣的 屈服強度均不滿足 NB/T47008-2017《承壓設(shè)備 用 碳素鋼和合金鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)對16Mn鋼鍛件的技術(shù)要求,其他試樣的力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
由圖1可見:在相同正火溫度下,隨著正火冷卻 速率的提高,試樣的抗拉強度、屈服強度和硬度均呈 現(xiàn)上升趨勢,斷后伸長率呈下降趨勢,斷面收縮率的 變化不明顯;-20 ℃沖擊吸收功均高于標(biāo)準(zhǔn)值(不 小于41J);16Mn鋼鍛件在920 ℃正火條件下得到 的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。
2.2 不同熱處理工藝下16Mn鋼鍛件的顯微組織
由圖2可見:2-1號試樣(920 ℃正火+水冷)的 顯微組織為均勻的貝氏體回火組織+少量鐵素體; 2-2號試樣(920 ℃正火+噴淋)的顯微組織為貝氏 體回火組 織 + 魏 氏 組 織 (鐵 素 體 型);2-3 號 試 樣 (920 ℃正火+空冷)的顯微組織為塊狀鐵素體+魏 氏組織(鐵素體型)+珠光體組織。
2.3 不同熱處理工藝下16Mn鋼鍛件的沖擊斷口 形貌
由圖3可見:2-1號試樣(920 ℃正火+水冷)沖 擊斷口有大量韌窩;2-2號試樣(920 ℃正火+噴淋) 和2-3號試樣(920 ℃正火+空冷)沖擊斷口均為解 理斷口形貌。
3 分析與討論
在相同正火溫度下,采用不同冷卻方式冷卻后, 16Mn鋼鍛件的綜合力學(xué)性能出現(xiàn)差異,從高到低 對應(yīng)的冷卻方式依次為水冷、噴淋、空冷。采用空冷 方式對16Mn鋼鍛件進(jìn)行冷卻時,由于奧氏體的過 冷度較小,轉(zhuǎn)變溫度較高,元素的擴散能力較強,奧 氏體具備發(fā)生擴散性相變的條件,所以在該條件下 得到的顯微組織為鐵素體+珠光體。采用水冷方式 進(jìn)行冷卻時,冷卻速率較大,奧氏體中碳原子和鐵原 子的擴散速率較弱,形成半擴散、半切變型的中溫轉(zhuǎn) 變 產(chǎn)物,即貝氏體。貝氏體組織中,存在較多的位錯,強度較 高,且 基 體 中 分 布 有 細(xì) 小、彌 散 的 碳 化 物[4-5]。因此,采用水冷得到的16Mn鋼鍛件的綜合 力學(xué)性能最優(yōu)。
當(dāng)正火溫度較低時,微量元素的固溶和彌散進(jìn) 行得不充分,晶粒細(xì)化對于強度和硬度起主要作用。 當(dāng)正火溫度較高時,晶界弱化,晶粒和彌散的碳化物 均有長大傾向,此時細(xì)晶強化和彌散強化的作用不 明顯,主要是固溶強化對強度和硬度起主要作用。 在920 ℃正火時,彌散強化、固溶強化、細(xì)晶強化達(dá) 到最優(yōu)的平衡狀態(tài),16Mn鋼鍛件在該溫度下進(jìn)行 正火處理后得到的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。
16Mn鋼鍛件在920 ℃正火+噴淋或空冷條件 下得到的組織中均有魏氏組織(鐵素體型),故其沖 擊吸收功低于920℃正火+水冷條件下的沖擊吸收 功,但其沖擊吸收功仍高于 NB/T47008-2017標(biāo) 準(zhǔn)對16Mn鋼鍛件的技術(shù)要求,這是因為針片狀魏 氏組織內(nèi)存在精細(xì)結(jié)構(gòu),即小塊狀亞晶粒,比等軸狀 鐵素體具有較高的位錯密度[6]。根據(jù)位錯塞積理 論,在位錯運動受阻時,會產(chǎn)生塞積,形成應(yīng)力集中, 當(dāng)應(yīng)力集中程度大于材料的強度極限時會形成裂 紋[7]。鐵素體內(nèi)部的亞晶粒導(dǎo)致其晶界明顯增多, 假設(shè)被阻塞的位錯數(shù)一定,則鐵素體界面的位錯較 少,這可能是在 920 ℃ 正火 + 噴 淋 或 空 冷 條 件 下 16Mn鋼鍛件沖擊性能較好的原因。
4 結(jié)論
(1)在相同正火溫度下,隨著正火冷卻速率的 提高,16Mn鋼鍛件的抗拉強度、屈服強度和硬度均 呈現(xiàn)上升趨勢,斷后伸長率呈下降趨勢,斷面收縮率的變化不明顯,-20 ℃ 沖擊吸收功均高于標(biāo)準(zhǔn)值 (不小于41J)。
(2)在920 ℃ 正火條件下,彌散強化、固溶強 化、細(xì)晶強化達(dá)到最優(yōu)的平衡狀態(tài),得到的16Mn鋼 鍛件的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。
(3)在相同正火溫度下,采取水冷方式進(jìn)行冷 卻后,16Mn鋼鍛件的綜合力學(xué)性能優(yōu)于其他兩種 冷卻方式(噴淋、空冷)獲得的鍛件綜合力學(xué)性能,其 組織為貝氏體+少量鐵素體。
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