分享：热处理工艺对16Mn钢锻件显微组织和 力学性能的影响

俄 馨1,2,李 岗1,2,史 伟1,2,3,李志霞1,2,李金梅1,2,3,李雅新1,2,3

(1.兰州兰石检测技术有限公司,兰州 730314;2.传感及检测技术应用研究中心,兰州 730314; 

3.甘肃省机械装备材料表征与安全评价工程实验室,兰州 730314) 

摘 要:采用热处理试验、拉伸试验、冲击试验、金相检验和断口分析等方法,分析了热处理工艺 对16Mn钢锻件的显微组织和力学性能的影响。结果表明:在相同正火温度下,随着正火冷却速率 的提高,16Mn钢锻件的抗拉强度、屈服强度和硬度均呈上升趋势,断后伸长率呈下降趋势,断面收 缩率变化不明显,-20 ℃冲击吸收功均高于标准值(不小于41J);在920 ℃正火条件下,16Mn钢 锻件的综合力学性能最优;在相同正火温度下,采取水冷方式进行冷却后,16Mn钢锻件的综合力 学性能优于其他两种冷却方式(喷淋、空冷)获得的锻件综合力学性能;在920 ℃正火+水冷条件 下,16Mn钢锻件的综合力学性能最优,其组织为贝氏体+少量铁素体。 

关键词:热处理工艺;16Mn钢;锻件;显微组织;力学性能

中图分类号:TG115 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)03-0006-04

16Mn钢是最常见的压力容器锻造材料之一。 在压力容器生产过程中,通过成分设计和冶炼、热处 理等工艺参数调整可以控制材料的成分、组织和性 能,最终达到提高材料综合性能的目的[1-3]。在日常 检测中,由于影响因素较多,16Mn钢产品的力学性 能检测结果容易出现异常,导致分析时间较长,进而 影响产品的制造周期。目前,研究16Mn钢锻件的 热处理制度的相关文献较多,而研究不同热处理工 艺下16Mn钢锻件的力学性能和显微组织的相关报 道较少。笔者采用热处理试验、拉伸试验、冲击试验 和金相 检 验 等 方 法,研 究 了 不 同 热 处 理 工 艺 下 16Mn钢锻件的显微组织和力学性能,以期为16Mn 钢的理论研究和实际生产提供参考。

1 试验材料与方法

试验用材料为16Mn钢锻件(供货态为正火), 其化学成分见表1。按照制定的热处理工艺(表2), 采用高温箱式电阻炉对16Mn钢锻件进行热处理, 在室温下将样坯装于炉内,然后按设定的速率升到 保温温度,保温一定时间。在正火处理时,分别采用 水冷、喷淋及空冷等3种冷却方式。     

对试样进行拉伸试验,试样规格为?10mm,每组设 置3个平行试样,取平均值。采用 ZBC2602N-3型 夏比摆锤冲击试验机,对试样进行冲击试验,试样尺 寸 为 10 mm ×10mm×55 mm,试 验 温 度 为 -20 ℃,每组设置6个平行试样。采用 THBS3000E 型布氏硬度试验机,对试样进行硬度测试,加载力为 7.355kN,保载15s。采用 GX51型光学显微镜,对试 样进 行 金 相 检 验。采 用 JSM-IT300 型 扫 描 电 镜 (SEM)观察试样的冲击断口形貌。 

2 试验结果

2.1 不同热处理工艺下16Mn钢锻件的力学性能 

由表3 可 见:3-3 号 试 样 的 抗 拉 强 度、屈 服 强 度、硬度,3-1号试样的抗拉强度以及4-3号试样的 屈服强度均不满足 NB/T47008-2017《承压设备 用 碳素钢和合金钢锻件》标准对16Mn钢锻件的技术要求,其他试样的力学性能均符合标准要求。 由图1可见:在相同正火温度下,随着正火冷却 速率的提高,试样的抗拉强度、屈服强度和硬度均呈 现上升趋势,断后伸长率呈下降趋势,断面收缩率的 变化不明显;-20 ℃冲击吸收功均高于标准值(不 小于41J);16Mn钢锻件在920 ℃正火条件下得到 的综合力学性能最优。

2.2 不同热处理工艺下16Mn钢锻件的显微组织

由图2可见:2-1号试样(920 ℃正火+水冷)的 显微组织为均匀的贝氏体回火组织+少量铁素体; 2-2号试样(920 ℃正火+喷淋)的显微组织为贝氏 体回火组 织 + 魏 氏 组 织 (铁 素 体 型);2-3 号 试 样 (920 ℃正火+空冷)的显微组织为块状铁素体+魏 氏组织(铁素体型)+珠光体组织。

2.3 不同热处理工艺下16Mn钢锻件的冲击断口 形貌

由图3可见:2-1号试样(920 ℃正火+水冷)冲 击断口有大量韧窝;2-2号试样(920 ℃正火+喷淋) 和2-3号试样(920 ℃正火+空冷)冲击断口均为解 理断口形貌。

3 分析与讨论

在相同正火温度下,采用不同冷却方式冷却后, 16Mn钢锻件的综合力学性能出现差异,从高到低 对应的冷却方式依次为水冷、喷淋、空冷。采用空冷 方式对16Mn钢锻件进行冷却时,由于奥氏体的过 冷度较小,转变温度较高,元素的扩散能力较强,奥 氏体具备发生扩散性相变的条件,所以在该条件下 得到的显微组织为铁素体+珠光体。采用水冷方式 进行冷却时,冷却速率较大,奥氏体中碳原子和铁原 子的扩散速率较弱,形成半扩散、半切变型的中温转 变 产物,即贝氏体。贝氏体组织中,存在较多的位错,强度较 高,且 基 体 中 分 布 有 细 小、弥 散 的 碳 化 物[4-5]。因此,采用水冷得到的16Mn钢锻件的综合 力学性能最优。 

当正火温度较低时,微量元素的固溶和弥散进 行得不充分,晶粒细化对于强度和硬度起主要作用。 当正火温度较高时,晶界弱化,晶粒和弥散的碳化物 均有长大倾向,此时细晶强化和弥散强化的作用不 明显,主要是固溶强化对强度和硬度起主要作用。 在920 ℃正火时,弥散强化、固溶强化、细晶强化达 到最优的平衡状态,16Mn钢锻件在该温度下进行 正火处理后得到的综合力学性能最优。

16Mn钢锻件在920 ℃正火+喷淋或空冷条件 下得到的组织中均有魏氏组织(铁素体型),故其冲 击吸收功低于920℃正火+水冷条件下的冲击吸收 功,但其冲击吸收功仍高于 NB/T47008-2017标 准对16Mn钢锻件的技术要求,这是因为针片状魏 氏组织内存在精细结构,即小块状亚晶粒,比等轴状 铁素体具有较高的位错密度[6]。根据位错塞积理 论,在位错运动受阻时,会产生塞积,形成应力集中, 当应力集中程度大于材料的强度极限时会形成裂 纹[7]。铁素体内部的亚晶粒导致其晶界明显增多, 假设被阻塞的位错数一定,则铁素体界面的位错较 少,这可能是在 920 ℃ 正火 + 喷 淋 或 空 冷 条 件 下 16Mn钢锻件冲击性能较好的原因。

4 结论

(1)在相同正火温度下,随着正火冷却速率的 提高,16Mn钢锻件的抗拉强度、屈服强度和硬度均 呈现上升趋势,断后伸长率呈下降趋势,断面收缩率 的变化不明显,-20 ℃ 冲击吸收功均高于标准值 (不小于41J)。

(2)在920 ℃ 正火条件下,弥散强化、固溶强 化、细晶强化达到最优的平衡状态,得到的16Mn钢 锻件的综合力学性能最优。

(3)在相同正火温度下,采取水冷方式进行冷 却后,16Mn钢锻件的综合力学性能优于其他两种 冷却方式(喷淋、空冷)获得的锻件综合力学性能,其 组织为贝氏体+少量铁素体。 参考文献: [1] 姚海云,胡艳华,王丽霞.热处理工艺对16Mn钢晶粒 形貌的影响[J].金属热处理,2014,39(10):25-27. [2] 史伟,赵江涛,孙彦百,等.钛微合金化对 Q345D 钢冲 击韧性影响的探讨[J].热处理技术与装备,2014,35 (3):31-34. [3] 蒙骞,史伟,俄馨,等.回火温度对 12Cr2Mo1钢锻件 力学性能的影响[J].机械研究与应用,2020,33(3): 235-237. [4] 聂燚,董文龙,赵运堂,等.高强度低碳贝氏体钢工艺 和组织对性能的影响[J].北京科技大学学报,2006, 28(8):733-738. [5] 赵宇,申峰,刘云旭,等.热处理工艺对16Mn钢组织 与抗震性能的影响[J].金属热处理,2006,31(7):74- 76. [6] 洪福东,冯路路,乔文玮,等.热处理工艺对16Mn钢 组织和性能的 影 响 [J].金 属 热 处 理,2019,44(12): 157-160. [7] 尚成嘉,杨善武,王学敏,等.低碳贝氏体钢的组织类 型及其对性能的影响[J].钢铁,2005,40(4):57-61

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