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℃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℃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:TG文献标志码:A文章编号:-()03--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。

采用CMT型微机控制电子万能试验机,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ZBCN-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10mm×10mm×55mm,试验温度为-20℃,每组设置6个平行试样。采用THBSE型布氏硬度试验机,对试样进行硬度测试,加载力为7.kN,保载15s。采用GX51型光学显微镜,对试样进行金相检验。采用JSM-IT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/T-《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℃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(℃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(℃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(℃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(℃正火+水冷)冲击断口有大量韧窝;2-2号试样(℃正火+喷淋)和2-3号试样(℃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℃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℃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℃正火+水冷条件下的冲击吸收功,但其冲击吸收功仍高于NB/T-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℃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℃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,,39(10):25-27.

[2]史伟,赵江涛,孙彦百,等.钛微合金化对QD钢冲击韧性影响的探讨[J].热处理技术与装备,,35(3):31-34.

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文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册58卷3期(pp:6-9)