摘 要:制備了鉻含量(質量分數(shù))分別為０．０１％,０．１０％,０．１３％,０．１６％的高碳鋼６５Mn熱軋鋼帶, 利用金相顯微鏡檢測了不同鉻含量試樣的顯微組織及晶粒度,并測試了不同鉻含量試樣的力學性能. 結果表明:鉻元素能細化６５Mn鋼的珠光體片層間距,弱化網(wǎng)狀鐵素體;當鉻含量從０．０１％增加至 ０．１６％時,６５Mn鋼的晶粒度級別從８．０級提高至８．８級,抗拉強度從８２２MPa增加至９９９MPa,而斷 后伸長率從２９％下降至２２％;并且當鉻含量低于０．１３％時,鉻含量的增加對材料組織和力學性能的 作用效果顯著;鉻元素通過晶粒細化和第二相Cr３C析出共同影響高碳鋼６５Mn的綜合力學性能. 

關鍵詞:鉻含量;高碳鋼６５Mn;熱軋鋼帶;顯微組織;力學性能;晶粒細化;第二相 

中圖分類號:TG１４２．１ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７３６Ｇ０５

鉻作為鋼中一種重要的合金化元素,能提高鋼 的淬透性,并且形成合金滲碳體后可以提升鋼材的 強度、韌性、抗回火性以及耐磨性等,在碳鋼中添加 適量的鉻元素可顯著改變鐵素體的形態(tài)及分布,并 能細化晶粒[１].研究鉻元素含量對鋼材組織和性能 的影響規(guī)律和作用機理,有助于合理利用鉻元素,節(jié) 約社會資源.國內外學者研究了鉻含量對高碳鋼組 織和性能的影響,但研究課題各有側重.張樣等[２] 研究認為提升高碳工模具鋼中的鉻含量,有利于細 化退火碳化物,從而使材料具有良好的抗回火性; HOSSAIN 等[３]研究認為高碳鋼中隨著鉻含量的增 加,殘余奧氏體的形態(tài)發(fā)生改變,并且穩(wěn)定性得以提 升;文獻[４Ｇ５]研究了熱處理對高鉻鋼的影響,認為 熱處理 形 成 的 顯 微 組 織 決 定 了 零 件 的 性 能;文 獻[６Ｇ７]也研究了鉻對特定鋼材力學性能和顯微組織的影響.這些研究課題中缺乏鉻含量對６５Mn熱 軋鋼帶組織和性能影響的專項研究.６５Mn鋼作為 高碳鋼中重要的一種,具有良好的強韌性、較高的硬 度及耐磨性等特點,除作為彈性元件的主要用材之 外,還 被 廣 泛 應 用 于 磨 切 刃 具、機 械 耐 磨 部 件 等[８Ｇ１０].筆者通過研究鉻元素含量對高碳鋼６５Mn 熱軋鋼帶組織和性能的影響,并通過探討鉻影響鋼材 性能與珠光體轉變的機理,試圖確定６５Mn鋼中的最 佳鉻含量,從而指導生產(chǎn)并為科研技術提供支撐. 

１ 試驗材料與試驗方法 

１．１ 試驗材料 

試驗材料選用４種高碳鋼６５Mn熱軋鋼帶,鋼 中鉻含量(質量分數(shù),下同)分別為０．０１％,０．１０％, ０．１３％,０．１６％,厚度規(guī)格為２．５mm,除鉻含量外其 他生產(chǎn)控制工藝均相同,具體化學成分見表１.

１．２ 試驗方法 

６５Mn鋼液采用１８０t頂?shù)讖痛缔D爐冶煉,連鑄 生產(chǎn)成２３０mm(厚)×１２８０mm(寬)的鋼坯,采用 １７８０mm寬 熱 連 軋 設 備 軋 制 為 ２．５ mm(厚)× １２５０mm(寬)的熱軋鋼帶,取熱軋鋼帶生產(chǎn)樣(橫 向)進行檢測. 

在 WAWＧ１０００型萬能試驗機上進行拉伸試驗, 測試抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率;在HBＧ３０００ 型布氏硬度計上檢測試樣布氏硬度;用４％(體積分 數(shù))的硝酸酒精溶液對拋光金相試樣進行侵蝕,在 DMI５０００M 型 金 相 顯 微 鏡 下 觀 察 其 顯 微 組 織 和 晶粒度.

２ 試驗結果與討論 

２．１ 鉻含量對顯微組織的影響 

圖１為不同鉻含量試樣的顯微組織對比,可見 所有試樣的顯微組織都為珠光體＋鐵素體,但隨著 鉻含量的增加,熱軋試樣的顯微組織趨向細化,尤其 是當鉻含量增加到０．１６％時,組織中出現(xiàn)了粒狀貝 氏體.這表明鉻可以促進珠光體轉變,細化珠光體片間距.由圖１還可以看出,當鉻含量為０．０１％時, 顯微組織中存在粗大的網(wǎng)狀鐵素體,并且分布區(qū)域較 廣,隨著鉻含量的增加,網(wǎng)狀鐵素體得到弱化,當鉻含 量達到０．１６％時,網(wǎng)狀鐵素體基本消失.這是由于鋼 中鉻元素溶入奧氏體后,可以增加過冷奧氏體的穩(wěn)定 性,降低淬火臨界冷卻速度,使C曲線往右移,從而使 得珠光體轉變區(qū)域減少,轉變時間相對變短,抑制了 鐵素體長大,所以網(wǎng)狀鐵素體基本消失.

２．２ 鉻含量對晶粒度的影響 

圖２為不同鉻含量試樣的晶粒形貌對比,圖３為 相應的晶粒度等級對比.可見隨著鉻含量的增加,試 樣的晶粒尺寸逐漸減小,晶粒度等級則逐漸提高,從 鉻含量為０．０１％的８．０級提高到了鉻含量為０．１６％時 的８．８級,并且晶粒越來越均勻.這是由于鉻是一種 與碳有較強親和力的碳化物形成元素,可以顯著減慢 碳在奧氏體中的擴散速度,使奧氏體的形成速度減 慢,增加結晶后單位體積中晶粒的總數(shù)目,從而細化 晶粒[１１].而且材料單位體積內的晶粒數(shù)量增加,會 使每個晶粒的長大空間余地越來越小,晶粒生長速度 受到抑制,起到減輕晶粒生長不均勻的作用.

從圖３還可以發(fā)現(xiàn),當鉻含量低于０．１３％時,鉻 對熱軋 試 樣 晶 粒 的 細 化 作 用 顯 著,當 鉻 含 量 從 ０．１３％增加到０．１６％時,鉻對晶粒的細化作用逐漸 下降,表明鉻元素對鋼材晶粒細化效果隨著其含量 的增加趨于下降.這是由于隨著鉻含量的增加,碳化鉻含量提升,當達到一定比例時,鉻與碳的結合能 力就會開始下降,從而使晶粒細化的效果開始減弱.

２．３ 鉻含量對力學性能的影響 

圖４和圖５ 為不同鉻含量試樣的力學性能對 比,可見隨著鉻含量從０．０１％增加到０．１６％,抗拉 強度Rm 從 ８２２ MPa增 加 到 ９９９ MPa,屈 服 強 度 ReL 從 ４６０ MPa 增 加 到 ６３３ MPa,布 氏 硬 度 從 ２４５HBW 增加到２８５HBW,而斷后伸長率 A 趨于 下降,從２９％ 降低到 ２２％.當鉻含量低于 ０．１３％ 時,隨著鉻含量的增加,抗拉強度、屈服強度和硬度 變化明顯,每增加０．０１％的鉻,對應指標提升值分 別為:１５．３MPa,１７．６MPa,３．８HBW.當鉻含量大 于０．１３％時,隨著鉻含量的增加,抗拉強度、屈服強 度和硬度下降,而斷后伸長率提升. 

從強化機理上分析,鉻元素提升材料強度是由于鉻與αＧFe同為體心立方晶格,且與 αＧFe原子半 徑和電子結構均相近,所以它們在室溫下能夠無限 固溶,鉻原子溶入鐵素體后,形成置換固溶體,產(chǎn)生 固溶強化,從而提升強度.并且鉻溶入αＧFe后會引 起點陣畸變,阻礙位錯運動,增強滑移變形抗力,提 升抗拉強度.

２．４ 討論 

本研究中隨著鉻含量的增加,材料的強度和硬 度逐漸增加,而塑性降低,可能是由于鉻元素使材料 內部珠光體的組織結構發(fā)生變化,并且碳含量越接 近共析點,珠光體組織結構對材料性能的影響越大. 因此,６５Mn鋼的力學性能與顯微組織中珠光體的 片層間距密切相關,而珠光體片層間距與過冷度的 關系如下式所示

式中:S０ 為珠光體片層間距,nm;ΔT 為過冷度,℃.

高碳鋼中加入合金元素鉻,由于鉻能起到擴大 奧氏體區(qū)的作用,使鋼的 C 曲線右移,推遲了奧氏 體向珠光體的轉變,即在冷卻速度不變的情況下,降 低了珠光體轉變開始溫度,增加了轉變過冷度.因 此隨著鉻含量的增加,珠光體片層間距得到細化,從 而使相界面增多,抗塑性變形能力增強,故強度、硬 度提升,這與本文的研究結論一致.另一方面,高碳鋼中加入鉻元素,使材料產(chǎn)生固溶強化和細晶強化, 常溫下細晶強化效果比固溶強化作用要明顯.經(jīng)細 晶強化后,材料塑性變形的抗力就會增大,這也會導 致材料的強度、硬度增加.

高碳 鋼 中 添 加 鉻 元 素,能 細 化 晶 粒,胡 賡 祥 等[１２]認為晶粒細化可以提升材料的塑性,但是本試 驗數(shù)據(jù)顯示,隨著鉻含量從０．０１％增加到０．１６％, 材料的斷后伸長率反而由２９％下降至２２％.這是 由于在高碳鋼中形成了第二相 Cr３C,第二相 Cr３C 呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在基體晶粒的邊界上,使滑移變形 僅局限于基體晶粒內部,作為硬而脆的第二相 Cr３C 基本不能產(chǎn)生塑性變形,并且阻礙基體的變形.當 基體變形稍大時,晶界處將由于應力集中而產(chǎn)生裂 紋,使材料過早斷裂.因此,添加鉻元素雖然可以通 過晶粒細化提升材料的塑性,但同時形成的第二相 Cr３C會降低材料的塑性,對于本文研究的６５Mn熱 軋鋼帶,隨著鉻含量的增加塑性值下降,表明高碳鋼 ６５Mn中第二相 Cr３C 對塑性的影響大于細晶強化 的影響.當鉻含量從０．１３％增加到０．１６％時,斷后 伸長率下降變緩,表明當鋼中鉻含量達到一定值后, 第二相對高碳鋼塑性的影響效果趨于弱化.

３ 結論 

(１)鉻元素可以促進高碳鋼６５Mn的珠光體轉 變,細化珠光體片間距,弱化網(wǎng)狀鐵素體.

(２)高碳鋼６５Mn熱軋鋼帶中隨著鉻含量的增 加,晶粒尺寸逐漸減小,晶粒度等級則逐漸提高,從 鉻含 量 為０．０１％ 時 的 ８．０ 級 提 高 到 了 鉻 含 量 為 ０．１６％時的８．８級,且晶粒均勻度提升;當鉻含量低 于０．１３％時,鉻對熱軋試樣晶粒的細化作用顯著. 

(３)隨著高碳 鋼 ６５Mn 熱 軋 鋼 帶 中 鉻 含 量 從 ０．０１％增加到０．１６％,抗拉強度從８２２ MPa增加到 ９９９MPa,斷后伸長率從２９％降低到２２％;并且當 鉻含量低于０．１３％時,強化效果明顯. 

(４)鉻元素通過細化珠光體片層間距來改變材 料性能,而第二相 Cr３C阻礙材料的韌性變形,二者 的共同作用影響著材料的綜合力學性能.第二相 Cr３C對６５Mn熱軋鋼帶塑性的影響大于細晶強化 的影響. 

參考文獻: 

[１] 崔忠圻,覃耀春．金屬學與熱處理[M]．北京:機械工 業(yè)出版社,２００７． 

[２] 張洋,宗廣霞,水開明,等．Cr含量對高碳中合金工模具鋼組織 與 性 能 的 影 響 [J]．金 屬 熱 處 理,２０１０,３５ (１０):４４Ｇ４７． 

[３] HOSSAIN R,PAHLEVANIF,SAHAJWALLA V． EffectofsmalladditionofCronstabilityofretained austenite in high carbon steel[J]． Materials Characterization,２０１７,１２５:１１４Ｇ１２２． 

[４] 金林奎,陳曉東,趙建國,等．４０Cr鋼齒軸的斷裂原因 分析[J]．理 化 檢 驗(物 理 分 冊),２０１５,５１(１１):８２７Ｇ ８２９,８３２． 

[５] 李海明．４０Cr鋼汽車半軸斷裂原因分析[J]．理化檢 驗(物理分冊),２０１６,５２(８):５８９Ｇ５９３． 

[６] FU H,MIAO Y,CHEN X,et al．A study of microstructuresandpropertiesofhighＧcarbonSiＧCr caststeel containing rare earth and titanium[J]． Materialwissenschaftund Werkstofftechnik,２００７,３８ (３):２３３Ｇ２３８． 

[７] XU L N,WANG B,ZHU JY,etal．EffectofCr contentonthecorrosionperformanceoflowＧCralloy steelin a CO２ environment[J]．Applied Surface Science,２０１６,３７９:３９Ｇ４６．

[８] 趙玉鳳．６５Mn鋼表硬心韌處理工藝及其組織和性能 的研究[D]．鎮(zhèn)江:江蘇大學,２０１３． 

[９] WANG H Y,ZHAO YF,YUANX M,etal．Effects ofboronizingtreatmenton corrosion resistance of ６５Mn steel in two acid mediums[J]． Physics Procedia,２０１３,５０:１２４Ｇ１３０． 

[１０] LIZJ,PENG Y,LIU H M,etal．Keyparameter studyof６５Mnsteelin warm rolling[J]．Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology,２０１３,５(５):１８５９Ｇ１８６３． 

[１１] 劉天佑．金屬學與熱處理[M]．北京:冶金工業(yè)出版 社,２００９． 

[１２] 胡賡祥,蔡珣．材料科學基礎[M]．上海:上海交通大 學出版社,２０００．

文章來源—— 材料與測試網(wǎng)