Ni對30CrMnSi2鋼組織及力學性能的影響

馬金偉， 安勝利， 賈 禮， 付學義， 薛 瑞， 高占勇

(1. 內蒙古科技大學 材料與冶金學院， 內蒙古 包頭 014010；2. 鄂爾多斯市神東天隆礦山機械設備有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯 017200；3. 包鋼鋼聯股份有限公司， 內蒙古 包頭 014010)

高強鋼通常采用淬火后低溫回火得到馬氏體，以獲得較高的強度和良好的韌性[1-3]，還可以通過改變合金元素含量來調節綜合力學性能。隨著用戶對強韌性綜合力學性能要求的日益提升，特別是對低溫沖擊韌性要求的提升，鋼中加入Ni可以顯著提高合金鋼的低溫強度和韌性，因此添加適當含量的Ni已成為改善力學性能的重要手段[3-8]。Ni是形成和穩定奧氏體的元素，Ni和Fe以互溶的形式存在于奧氏體和鐵素體中，從而提高強度、細化晶粒，起到固溶強化作用，并在很大程度上可提升鋼的焊接性能及耐蝕性能[9-10]。

在鋼中添加一定量的Ni元素，對鋼強度的影響較小，但可提高鋼的沖擊性能，尤其是低溫沖擊性能[11-13]，然而Ni含量過高則會影響鋼的熱處理工藝周期和加工成本[14]。本文主要研究Ni對30CrMnSi2鋼組織與性能的影響規律，在保證強度和韌性的前提下，盡可能降低Ni含量以降低合金成本，以便研發一種性價比較高的工程機械用高強高韌鋼。

1 試驗材料與方法

采用真空感應熔煉爐冶煉6種不同Ni含量的30CrMnSi2鋼，試驗鋼編號及成分如表1所示。鑄錠經三鐓三拔后進行熱處理。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數，%)

試驗鋼鐓拔后的熱處理工藝如圖1所示。采用AXiover200 MAT光學顯微鏡和QUANTA400掃描電鏡對熱處理試樣進行顯微組織及微觀、宏觀斷口觀察，并使用TouchRook150洛氏硬度計測量硬度。使用CSS-88500萬能試驗機進行拉伸性能測試。

圖1 熱處理工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat treatment process

2 試驗結果與分析

2.1 Ni含量對微觀組織的影響

Ni含量分別為0.2%、0.5%、0.8%、1.0%、2.0%、3.0%的試驗鋼經260 ℃低溫回火后的顯微組織如圖2所示。由圖2可見，經低溫回火后不同Ni含量試驗鋼的組織全部為板條狀回火馬氏體和少量M/A島。當Ni含量較少時(見圖2(a，b))，存在白色的塊狀M/A 島，M/A島尺寸的大小和數量是影響低溫回火組織韌性的主要因素，因為淬火時形成的塊狀M/A島經低溫回火后，轉變成的回火馬氏體仍為塊狀，脆性較大，不具有板條馬氏體的韌性特征。隨著Ni含量的增加，白色的M/A島變得少而細長，見圖2(c)，當Ni含量達到1.0%時(見圖2(d))，白色的M/A島幾乎消失，代之以全部的馬氏體板條束，細長的馬氏體板條束表現出優良的韌性。隨著Ni含量進一步增加，見圖2(e，f)，馬氏體板條束更加細長，但白色的M/A島數量有所增加，相比圖2(a，b)中M/A島尺寸較小且分散。

圖2 不同Ni含量試驗鋼經260 ℃回火后的顯微組織Fig.2 Microstructure of the tested steels with different Ni contents tempered at 260 ℃ (a) 0.2%; (b) 0.5%; (c) 0.8%; (d) 1.0%; (e) 2.0%; (f) 3.0%

圖3為試驗鋼經260 ℃低溫回火后的SEM顯微組織。由圖3可明顯看到，M/A島區域由低碳α相和彌散的ε-碳化物組成。淬火時形成的馬氏體板條束區域經回火后低碳α相板條更為明顯。隨著Ni含量的增加，回火馬氏體的板條逐漸變得細長，見圖3(c～f)。細而長的回火馬氏體板條束以及鐵素體板條間的奧氏體薄膜組織是提高韌性的理想組織。

圖3 不同Ni含量試驗鋼260 ℃回火后的SEM圖Fig.3 SEM images of the tested steels with different Ni contents tempered at 260 ℃(a) 0.2%; (b) 0.5%; (c) 0.8%; (d) 1.0%; (e) 2.0%; (f) 3.0%

眾所周知，Ni在鋼中不形成碳化物，在α相中的最大溶解度約為10%，而Ni在γ相中與Fe無限置換固溶[15]。Ni能夠擴大γ相區，提高鋼的淬透性，促進馬氏體相變，Ni含量越高促進效果越明顯。因此當Ni含量逐漸增加時，馬氏體位錯密度越來越高，板條越細密，板條束更加均勻。Ni本身就有細化晶粒的作用，其晶體結構與Fe相同，二者之間的錯配度很小，因此Ni的直接強化作用并不明顯，但是Ni能夠降低C原子的擴散激活能，從而提高C原子的擴散系數，因此C原子更容易擴散至位錯或者缺陷處，導致C在位錯周圍富集，阻礙位錯滑移，通過這種方式來提高鋼的強度。但當Ni含量過大時，板條狀馬氏體數量增長的同時，殘留奧氏體數量也在增多，如圖2(e，f)所示，M/A島增多。殘留奧氏體的塑韌性略高于板條狀馬氏體，但強度遠低于板條狀馬氏體，因而鋼的強度會出現降低的現象[16]。

2.2 Ni含量對沖擊斷口的影響

圖4為260 ℃低溫回火后，不同Ni含量試驗鋼的沖擊吸收能量變化曲線。由圖4可以看出，隨著Ni含量增加，沖擊吸收能量呈增長趨勢。Ni含量在0.2%～1.0%時，沖擊吸收能量增長迅速，由44.4 J增長到74.1 J。Ni含量超過1.0%時，沖擊吸收能量增長緩慢，在3.0%Ni 時，達到76.7 J，相比1.0%Ni，沖擊吸收能量增加較小。

圖4 不同Ni含量試驗鋼的沖擊吸收能量Fig.4 Impact absorbed energy of the tested steels with different Ni contents tempered at 260 ℃

不同Ni含量試驗鋼的沖擊斷口宏觀形貌如圖5所示。為了精確計算韌性區域面積，圖5中標出了斷口的剪切唇和纖維區。從斷口形貌可以看出，隨著Ni含量的不斷增加，斷口的剪切唇和纖維區所占的比例逐漸增大，中心纖維區域相對較大，放射區也在增加。當Ni含量為1.0%時，纖維區和剪切唇所占比例幾乎達到最大，纖維區突出明顯。當Ni含量超過1.0%時，宏觀斷口變化不大。沖擊吸收能量與韌性區域面積有著十分密切的聯系。因此通過宏觀斷口測量出不同Ni含量試驗鋼宏觀斷口的韌性區域面積。如圖6所示，隨著Ni含量的升高，試驗鋼的韌性區域面積與沖擊吸收能量呈近似線性關系，即韌性區域面積越大沖擊吸收能量越高。眾所周知，由于Ni原子可以增強螺位錯的交滑移，添加Ni可以提升抗解理斷裂的能力，降低韌脆轉變溫度[17-18]。因此，隨著Ni含量的增加，鋼的位錯移動性提高，塑性變形的能力增強，在宏觀斷口表現為韌性區域面積的提升。

圖5 不同Ni含量試驗鋼的沖擊斷口宏觀形貌Fig.5 Macro morphologies of impact fracture of the tested steels with different Ni contents(a) 0.2%; (b) 0.5%; (c) 0.8%; (d) 1.0%; (e) 2.0%; (f) 3.0%

圖6 不同Ni含量試驗鋼的韌性斷裂區域面積與沖擊吸收能量的關系Fig.6 Relationship between ductile fracture area and impact absorbed energy of the tested steels with different Ni contents

圖7為不同Ni含量試驗鋼的沖擊斷口微觀形貌，由圖7可以看出，沖擊斷口均為韌性斷裂。Ni含量為0.2%時，斷口韌窩很淺，數量最少，有少量撕裂棱出現；0.5%Ni時，斷口形貌相對于0.2%Ni有所改善，撕裂棱數量有所增加，撕裂棱上的韌窩小而淺；0.8%Ni時，相對于前兩種含量試驗鋼，斷口微觀形貌有所改善，韌窩深且數量也有增加；隨著Ni含量繼續增加，1.0%Ni時，斷口韌窩變得越來越深，數量也不斷增加，且出現了等軸韌窩，組織也變得更加均勻；Ni含量達到3.0%時，韌窩更深、更大，等軸韌窩數量繼續增加。

圖7 不同Ni含量試驗鋼的沖擊斷口微觀形貌Fig.7 Micromorphologies of impact fracture of the tested steels with different Ni contents(a) 0.2%; (b) 0.5%; (c) 0.8%; (d) 1.0%; (e) 2.0%; (f) 3.0%

從圖7還可見，Ni含量為0.2%的情況下，斷口就已經出現了部分韌窩，說明在韌性斷裂之前，已經發生了較大的塑性變形，由于塑性變形需要消耗較多的能量，所以韌窩屬于一種高能量吸收過程的延性斷裂。而隨著Ni含量的不斷升高，3.0%Ni鋼的斷口韌窩數量增多且韌窩尺寸變大，說明在韌性斷裂之前發生了更大的塑性變形，從而消耗了更多的能量。3.0%Ni試驗鋼的沖擊吸收能量為76.7 J，相比1.0%Ni時的沖擊吸收能量74.1 J增加不明顯，考慮到Ni元素價格昂貴，1.0%Ni含量試驗鋼具有更高的性價比。

2.3 Ni含量對力學性能的影響

圖8為不同Ni含量試驗鋼的力學性能?？梢钥闯?，Ni含量對高強鋼綜合力學性能的影響比較顯著，隨著Ni含量的提升，試驗鋼的屈服強度、抗拉強度先升后降硬度呈下降趨勢。沖擊吸收能量、斷后伸長率(A)和斷面收縮率(Z)均隨Ni含量的升高而升高。高強鋼的力學性能與其顯微組織關系密切，其強度的大小主要取決于板條狀馬氏體的數量、板條的粗細程度和殘留奧氏體的數量。其中板條狀馬氏體具有較高的位錯密度，板條馬氏體數量越多位錯密度越大，從而提升鋼的強度和韌性。而殘留奧氏體越多，會導致鋼的強度越低，伸長率越高。

圖8 不同Ni含量試驗鋼的力學性能(a)強度；(b)伸長率，斷面收縮率；(c)硬度Fig.8 Mechanical properties of the tested steels with different Ni contents(a) strength； (b) elongation, percentage reduction of area； (c) hardness

當鋼中加入了微量合金元素Ni時，鋼的強度得到提升，這是因為Ni本身具有細化晶粒、固溶強化和促進馬氏體相變的能力，當馬氏體發生轉變時，由于Ni元素的加入，板條狀馬氏體的位錯密度變得更高，使得馬氏體強度變大[19]。隨著Ni含量的不斷增加，鋼中碳元素的擴散速率升高，馬氏體板條的生長速度增加，由于Ni是強奧氏體穩定化元素，在試驗鋼中馬氏體含量增加的同時也出現了很多殘留奧氏體[20]，殘留奧氏體的機械穩定性和熱力學穩定性都很差，這使得殘留奧氏體的強度、硬度遠小于板條狀馬氏體。由于Ni具有穩定奧氏體的作用，隨著Ni含量的不斷增加，奧氏體越來越穩定，它在一定程度上代替了一部分板條狀馬氏體的存在，因此隨著Ni含量的增加，抗拉強度和屈服強度呈現先增長后降低的趨勢，而硬度在一直降低。殘留奧氏體的韌性要高于板條馬氏體，因而沖擊吸收能量隨Ni含量的增加而增加。

3 結論

1) 不同Ni含量的試驗鋼經淬火+260 ℃低溫回火后，其顯微組織由板條狀回火馬氏體和M/A島組成。SEM組織分析表明，低溫回火后，M/A島轉變為低碳α相和彌散的ε-碳化物。隨著Ni含量的不斷升高，板條馬氏體增多，板條變得細長，M/A島變得細長。Ni含量為1.0%時的組織相對細小、均勻。

2) 試驗鋼低溫回火后，其微觀沖擊斷口均為韌性斷裂，隨著Ni含量的不斷增加，韌窩深度加深，數量增加，在Ni含量為1.0%時出現部分等軸韌窩。宏觀斷口則表明，隨著Ni含量的增加，試驗鋼的韌性區域面積在增大，韌性區域面積與沖擊吸收能量呈近似線性關系，因此沖擊吸收能量也在增加，在Ni含量為3.0%時韌性區域面積最大為52.53 mm2，沖擊吸收能量最大為76.7 J。

3) Ni含量為1.0%時，試驗鋼抗拉強度、屈服強度達到最大值，分別為1355.2 MPa和1274.5 MPa，沖擊吸收能量為74.1 J。隨著Ni含量的不斷增加，殘留奧氏體的數量不斷增加，強度下降，韌塑性增強。綜合考慮性能提升與合金化成本，Ni含量為1.0%時試驗鋼具有較高的性價比。