熱處理工藝對16Mn鋼鍛件顯微組織和力學性能的影響

俄 馨, 李 崗, 史 偉,3, 李志霞, 李金梅,3, 李雅新,3

(1.蘭州蘭石檢測技術有限公司, 蘭州 730314；2.傳感及檢測技術應用研究中心, 蘭州 730314；3.甘肅省機械裝備材料表征與安全評價工程實驗室, 蘭州 730314)

16Mn鋼是最常見的壓力容器鍛造材料之一。在壓力容器生產過程中，通過成分設計和冶煉、熱處理等工藝參數調整可以控制材料的成分、組織和性能，最終達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鋼產品的力學性能檢測結果容易出現異常，導致分析時間較長，進而影響產品的制造周期。目前，研究16Mn鋼鍛件的熱處理制度的相關文獻較多，而研究不同熱處理工藝下16Mn鋼鍛件的力學性能和顯微組織的相關報道較少。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性能，以期為16Mn鋼的理論研究和實際生產提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗用材料為16Mn鋼鍛件(供貨態為正火)，其化學成分見表1。按照制定的熱處理工藝(表2)，采用高溫箱式電阻爐對16Mn鋼鍛件進行熱處理，在室溫下將樣坯裝于爐內，然后按設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。

表1 16Mn鋼鍛件的化學成分

表2 16Mn鋼鍛件的熱處理工藝

采用CMT5305型微機控制電子萬能試驗機，對試樣進行拉伸試驗，試樣規格為φ10 mm，每組設置3個平行試樣，取平均值。采用ZBC2602N-3型夏比擺錘沖擊試驗機，對試樣進行沖擊試驗，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗溫度為-20 ℃，每組設置6個平行試樣。采用THBS3000E型布氏硬度試驗機，對試樣進行硬度測試，加載力為7.355 kN，保載15 s。采用GX51型光學顯微鏡，對試樣進行金相檢驗。采用JSM-IT300型掃描電鏡(SEM)觀察試樣的沖擊斷口形貌。

2 試驗結果

2.1 不同熱處理工藝下16Mn鋼鍛件的力學性能

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/T 47008-2017《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》標準對16Mn鋼鍛件的技術要求，其他試樣的力學性能均符合標準要求。

表3 不同試樣的力學性能

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準值(不小于41 J)；16Mn鋼鍛件在920 ℃正火條件下得到的綜合力學性能最優。

圖1 不同正火冷卻方式下16Mn鋼鍛件的力學性能隨正火溫度的變化

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。

圖2 在920 ℃正火+不同冷卻方式條件下16Mn鋼鍛件的顯微組織

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。

圖3 在920 ℃正火+不同冷卻方式條件下16Mn鋼鍛件的沖擊斷口形貌

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鋼鍛件的綜合力學性能出現差異，從高到低對應的冷卻方式依次為水冷、噴淋、空冷。采用空冷方式對16Mn鋼鍛件進行冷卻時，由于奧氏體的過冷度較小，轉變溫度較高，元素的擴散能力較強，奧氏體具備發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、半切變型的中溫轉變產物，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鋼鍛件的綜合力學性能最優。

當正火溫度較低時，微量元素的固溶和彌散進行得不充分，晶粒細化對于強度和硬度起主要作用。當正火溫度較高時，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、細晶強化達到最優的平衡狀態，16Mn鋼鍛件在該溫度下進行正火處理后得到的綜合力學性能最優。

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/T 47008-2017標準對16Mn鋼鍛件的技術要求，這是因為針片狀魏氏組織內存在精細結構，即小塊狀亞晶粒，比等軸狀鐵素體具有較高的位錯密度[6]。根據位錯塞積理論，在位錯運動受阻時，會產生塞積，形成應力集中，當應力集中程度大于材料的強度極限時會形成裂紋[7]。鐵素體內部的亞晶粒導致其晶界明顯增多，假設被阻塞的位錯數一定，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準值(不小于41 J)。

(2) 在920 ℃正火條件下，彌散強化、固溶強化、細晶強化達到最優的平衡狀態，得到的16Mn鋼鍛件的綜合力學性能最優。

(3) 在相同正火溫度下，采取水冷方式進行冷卻后，16Mn鋼鍛件的綜合力學性能優于其他兩種冷卻方式(噴淋、空冷)獲得的鍛件綜合力學性能，其組織為貝氏體+少量鐵素體。