Ni含量對(duì)淬回火態(tài)40CrNiMo鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響

關(guān)蘊(yùn)奇， 李 亮， 胡文祥， 史正良， 徐 嘉

(1. 空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 珠海 519070；2. 廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 珠海 519070)

40CrNiMo鋼以其良好的綜合力學(xué)性能和相對(duì)低廉的成本，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造工業(yè)，在航空領(lǐng)域亦有所應(yīng)用，近年來(lái)仍有企業(yè)和高校對(duì)其進(jìn)行研究[1-4]。Ni是40CrNiMo鋼重要的化學(xué)成分，從合金化角度一般認(rèn)為Ni不僅可以顯著提高鋼的淬透性，也可有效提高鋼的強(qiáng)度和韌性[5]。GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)40CrNiMo鋼中Ni含量的要求范圍較大(1.25%～1.65%)，不同廠家、不同批次40CrNiMo鋼材的Ni含量可能存在較大差距，由此產(chǎn)生的波動(dòng)非常不利于機(jī)械制品性能的穩(wěn)定性，因此對(duì)于制造業(yè)而言，從化學(xué)成分層面研究選材的傾向性，針對(duì)指定產(chǎn)品制定嚴(yán)于國(guó)標(biāo)要求的材料化學(xué)成分指標(biāo)具有重要意義。

前期研究表明，Ni含量的變化對(duì)不同化學(xué)成分淬回火態(tài)Cr-Ni-Mo系鋼的影響不同。韓順等[6]對(duì)300M鋼的研究表明，隨著Ni含量從1.92%增加至5.07%，300M鋼的硬度和抗拉強(qiáng)度降低，其斷裂韌性在Ni含量3.06%時(shí)最高。王之香等[7]對(duì)高鐵車軸鋼的研究表明，隨著Ni含量從0.20%增加至1.20%，高鐵車軸鋼的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和沖擊吸收能量提高，650 ℃回火狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到759 MPa和608 MPa。褚錦輝等[8]對(duì)30Cr2Ni4MoV鋼的研究表明，Ni含量在3.29%～3.61%范圍內(nèi)，30Cr2Ni4MoV鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和沖擊吸收能量基本不變，因此可以通過(guò)降低Ni含量來(lái)節(jié)約成本。其他結(jié)構(gòu)鋼中也有針對(duì)Ni含量的研究，陶素芬等[9]對(duì)海洋工程用鋼EQ70的研究表明，隨著Ni含量從1.53%增加至2.06%，EQ70鋼的Ac1和Ms降低，貝氏體的轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間、轉(zhuǎn)變冷速范圍和組織形貌發(fā)生變化，而馬氏體形貌沒(méi)有明顯變化。蔣波等[10]對(duì)中碳合金鋼的研究表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的Ni加入，抑制了鐵素體和珠光體相變，促進(jìn)了貝氏體和馬氏體相變，同時(shí)可以細(xì)化奧氏體冷卻后的顯微組織。

本文針對(duì)符合GB/T 3077—2015化學(xué)成分的不同Ni含量的40CrNiMo鋼，進(jìn)行淬回火處理后測(cè)試其硬度、抗拉強(qiáng)度和沖擊吸收能量，以分析Ni含量對(duì)該鋼種力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文的試驗(yàn)材料為符合GB/T 3077—2015化學(xué)成分，并分別具有低Ni和高Ni含量的兩種40CrNiMo鋼，使用ARL easySpark 1160火花直讀光譜儀測(cè)定的化學(xué)成分如表1所示，兩種試驗(yàn)材料的Ni含量相差0.272%，分別接近國(guó)標(biāo)要求的上限和下限。

表1 40CrNiMo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 淬火態(tài)40CrNiMo鋼的原奧氏體晶粒形貌(a)低Ni含量；(b)高Ni含量Fig.1 Prior austenite grain morphologies of the quenched 40CrNiMo steel(a) low Ni content; (b) high Ni content

使用飽和苦味酸水溶液浸蝕經(jīng)850 ℃淬火并保溫30 min后的試驗(yàn)材料，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察到的原奧氏體晶粒形貌如圖1所示，測(cè)定低Ni含量和高Ni含量40CrNiMo鋼的晶粒度等級(jí)分別為10.5級(jí)和11.0級(jí)，晶粒度等級(jí)差距很小，因此忽略其在本文試驗(yàn)條件下對(duì)力學(xué)性能的影響。

1.2 試驗(yàn)方法

圖2 熱處理工藝曲線Fig.2 Process curve of heat treatment

試驗(yàn)材料經(jīng)淬火+回火處理后進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，使用的熱處理設(shè)備為高溫箱式爐，淬火介質(zhì)為德潤(rùn)寶Iso-Max 169淬火油。具體的熱處理工藝曲線如圖2所示，其中回火處理共試驗(yàn)3組溫度(450、500、550 ℃)，出爐后立即水冷。使用日本理學(xué)Automate2 X射線衍射儀測(cè)定淬火后試驗(yàn)材料的殘留奧氏體含量，其中X射線衍射儀采用CrKα輻射、V濾波片，X射線管的電壓、電流分別設(shè)定為40 kV、40 mA，測(cè)定α-Fe、γ-Fe的2θ衍射角分別設(shè)定為156.4°、128.4°，測(cè)定α-Fe、γ-Fe的照射時(shí)間分別為50 s和100 s，采用半高寬法定峰，取多次測(cè)定結(jié)果的總體范圍作為最終結(jié)果。

試驗(yàn)材料經(jīng)熱處理后拋光去除氧化層，經(jīng)硝酸酒精腐蝕后，使用FEI掃描電鏡觀察顯微組織，并使用維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，載荷砝碼1 kg，然后分別在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和室溫沖擊試驗(yàn)，拉伸試樣和V型缺口沖擊試樣的形狀尺寸分別如圖3、圖4所示，取多次試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 40CrNiMo鋼在450 ℃回火后的顯微組織(a，c)低Ni含量；(b，d)高Ni含量Fig.5 Microstructure of the 40CrNiMo steel tempered at 450 ℃(a,c) low Ni content; (b,d) high Ni content

圖3 拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.3 Shape and dimension of tensile specimen

圖4 V型缺口沖擊試樣的形狀和尺寸Fig.4 Shape and dimension of V-notch impact specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Ni含量對(duì)顯微組織的影響

450 ℃回火后，兩種試驗(yàn)鋼的顯微組織如圖5所示，主要組織均為回火屈氏體，由于中溫回火的溫度較高，兩種試驗(yàn)鋼的馬氏體基本完全分解，碳化物形態(tài)也無(wú)明顯差異。

550 ℃回火后，兩種試驗(yàn)鋼的顯微組織如圖6所示，主要組織變?yōu)榛鼗鹚魇象w，馬氏體分解程度加大且碳化物聚集長(zhǎng)大，但兩種試驗(yàn)材料依然無(wú)明顯差異，表明在本試驗(yàn)條件下，Ni含量對(duì)40CrNiMo鋼淬回火后的顯微組織無(wú)明顯影響，而殘留奧氏體由于含量很少而難以辨識(shí)，下文采用X射線法對(duì)其含量進(jìn)行測(cè)定。

圖6 40CrNiMo鋼在550 ℃回火后的顯微組織(a，c)低Ni含量；(b，d)高Ni含量Fig.6 Microstructure of the 40CrNiMo steel tempered at 550 ℃(a,c) low Ni content; (b,d) high Ni content

2.2 Ni含量對(duì)殘留奧氏體含量的影響

經(jīng)850 ℃淬火處理后，采用X射線測(cè)定低Ni含量和高Ni含量40CrNiMo鋼的殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)分別為6.8%～7.5%和6.7%～7.8%，表明Ni含量對(duì)40CrNiMo鋼的殘留奧氏體含量無(wú)明顯影響。Ni在γ-Fe中可以無(wú)限溶解，屬于擴(kuò)大γ相區(qū)的元素，一般認(rèn)為Ni含量增加會(huì)提高殘留奧氏體含量，但本文試驗(yàn)條件下未體現(xiàn)出此效果，推測(cè)Ni含量的增加，一方面使40CrNiMo鋼的淬透性提高而增加了馬氏體形成的傾向，另一方面卻使40CrNiMo鋼的Ms點(diǎn)下降而減少了馬氏體形成的傾向，因此在本文試驗(yàn)條件下，Ni含量增加對(duì)殘留奧氏體含量沒(méi)有明顯影響。

圖7 不同Ni含量淬火態(tài)40CrNiMo鋼的X射線衍射圖譜Fig.7 X-ray diffraction patterns of the quenched 40CrNiMo steel with different Ni contents(a) α-Fe； (b) γ-Fe

兩種試驗(yàn)材料的衍射峰如圖7所示，Ni含量增加對(duì)γ-Fe峰的2θ角無(wú)明顯影響，但會(huì)使α-Fe的定峰2θ角從156.5°改變至155.1°，即向偏離α-Fe理論2θ角的方向變化，表明Ni含量增加會(huì)使α-Fe的晶格畸變?cè)龃蟆?/p>

2.3 Ni含量對(duì)硬度的影響

兩種試驗(yàn)材料在不同溫度回火后的硬度如圖8所示，高Ni含量40CrNiMo鋼在各個(gè)回火溫度下的硬度均比低Ni含量40CrNiMo鋼高5～10 HV，表明Ni含量增加可以略微提高40CrNiMo鋼淬回火后硬度，但提高幅度較小，實(shí)際應(yīng)用中一般不會(huì)影響鋼的加工性能。

圖8 不同回火溫度下40CrNiMo鋼的硬度Fig.8 Hardness of the 40CrNiMo steel tempered at different temperatures

2.4 Ni含量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

兩種試驗(yàn)材料在不同溫度回火后的抗拉強(qiáng)度如圖9 所示，高Ni含量40CrNiMo鋼在各個(gè)回火溫度下的抗拉強(qiáng)度均高于低Ni含量40CrNiMo鋼，其中450 ℃回火條件下，兩種試驗(yàn)材料的抗拉強(qiáng)度差距較大，為78 MPa，表明Ni含量增加可以提高40CrNiMo鋼的淬回火后的抗拉強(qiáng)度，而提高幅度在450 ℃回火時(shí)較大，回火溫度升高至550 ℃后提高幅度減小。

圖9 不同回火溫度下40CrNiMo鋼的抗拉強(qiáng)度Fig.9 Tensile strength of the 40CrNiMo steel tempered at different temperatures

40CrNiMo鋼回火后的主要組織為回火屈氏體或回火索氏體，其主要構(gòu)成相為α-Fe和滲碳體，因此Ni含量增加會(huì)使α-Fe的晶格畸變?cè)龃螅瑢?dǎo)致的α-Fe固溶強(qiáng)化效果增強(qiáng)，使40CrNiMo鋼的抗拉強(qiáng)度提高，但隨著回火溫度升高，滲碳體逐漸聚集長(zhǎng)大，α-Fe固溶強(qiáng)化效果的主導(dǎo)作用下降，因此抗拉強(qiáng)度的提高幅度下降。

2.5 Ni含量對(duì)沖擊性能的影響

在450、550 ℃回火條件下，兩種試驗(yàn)材料的沖擊吸收能量如圖10所示，高Ni含量40CrNiMo鋼在兩個(gè)回火溫度下的沖擊吸收能量均比低Ni含量40CrNiMo鋼低約50%。在殘留奧氏體含量不變的條件下，Ni含量的增加反而使40CrNiMo鋼的沖擊性能顯著降低，因此推測(cè)在40CrNiMo鋼的化學(xué)成分范圍內(nèi)，Ni的固溶強(qiáng)化機(jī)制發(fā)生了變化。

圖10 不同溫度回火后40CrNiMo鋼的沖擊吸收能量Fig.10 Impact absorbed energy of the 40CrNiMo steel tempered at different temperatures

3 結(jié)論

1) Ni含量增加對(duì)40CrNiMo鋼的淬回火后顯微組織和殘留奧氏體含量均無(wú)明顯影響，但會(huì)使α-Fe 的定峰2θ角從156.5°改變至155.1°，即向偏離α-Fe理論2θ角的方向變化，導(dǎo)致α-Fe的晶格畸變?cè)龃螅倘軓?qiáng)化效果增強(qiáng)。

2) Ni含量增加，固溶強(qiáng)化效果增強(qiáng)，會(huì)使40CrNiMo鋼的硬度和室溫抗拉強(qiáng)度提高，其中硬度在各個(gè)回火溫度下均提高5～10 HV，而抗拉強(qiáng)度在450 ℃回火條件下的提高幅度達(dá)到78 MPa，隨著回火溫度升高，滲碳體逐漸聚集長(zhǎng)大，導(dǎo)致固溶強(qiáng)化效果的主導(dǎo)作用下降，從而使抗拉強(qiáng)度的提高幅度下降。

3) 殘留奧氏體含量不變的條件下，Ni含量增加會(huì)降低40CrNiMo鋼的沖擊性能，使450、550 ℃回火條件下的沖擊吸收能量均下降約50%。