以V代Ni對40CrNiMo鋼微觀組織及低溫韌性的影響

關鍵詞：V微合金化；回火溫度；-40℃沖擊吸收功；組織；碳化物

0 引言

40CrNiMo鋼經淬火、回火熱處理后具有良好的韌性、優秀的成型性以及可靠的疲勞壽命，常用于風電緊固件的制造（10.9、12.9級）。目前的研究證實，Ni元素加入鋼材中主要是通過細化組織、促進馬氏體的回復、抑制滲碳體的析出來提高鋼材的韌性。但Ni價格較高，使得40CrNiMo鋼較同類鋼價格偏高，難以滿足風電行業低成本化的需要，所以開發一種低Ni含量兼具良好低溫韌性的鋼種十分必要。

V是一種強碳化物形成元素，可以改變碳化物的析出行為，可在組織中形成微小的MC型碳化物。TANGUY B等研究發現，相較于M3C型碳化物，MC型碳化物與基體結合處的應力集中更低，提高了裂紋擴展的應力，從而可改善鋼材的韌性。此外，質量分數為0.06%～0.15%V元素的添加即可產生較好的析出強化效果，并提高鋼材回火抗力，同強度下可以提高回火溫度以改善韌性。因此，V元素的添加結合熱處理工藝調整可改善鋼材的低溫韌性，且V加入量較少、價格較低。本研究通過質量分數為0.08%的V微合金化開發了1種低成本CrNiMo鋼，對比研究了其與40CrNiMo鋼在10.9級強度下的低溫韌性，并研究了兩者基體組織、碳化物的差異。

1 實驗材料及方法

2種試驗用鋼經電弧爐冶煉、爐外精煉、真空脫氣、連鑄后熱軋為直徑73 mm的棒材，成分見表1。

熱處理工藝采用淬火+高溫回火處理，淬火溫度為870℃，保溫2 h后油淬；開發鋼與40CrNiMo鋼對應10.9級強度的回火溫度分別為640、580℃，保溫2 h后水冷。熱處理后樣品加工成Charpy-V型缺口沖擊試樣（10 mm×10 mm×55 mm）和棒狀拉伸試樣（平行段直徑6 mm，標距長度30 mm）。-40℃沖擊試驗在Instron Mpx 750儀器化沖擊試驗機上進行，拉伸試驗在Instron 300 k N試驗機上進行。

通過掃描電鏡（SEM）觀察試驗鋼的微觀組織及沖擊斷口形貌。微觀組織觀察試樣經機械研磨、拋光后，用4%（體積分數）硝酸酒精溶液腐蝕，試驗鋼原奧氏體晶粒使用苦味酸酒精溶液進行腐蝕。電子背散射衍射（EBSD）樣品經機械研磨、拋光、震動拋光后，在Apero 2s場發射掃描電鏡（SEM）及其搭載的EBSD探頭上進行試驗，步長0.1μm。透射電鏡（TEM）所用的樣品經機械研磨至50μm再通過電解雙噴制得，雙噴液為7%高氯酸酒精溶液，電壓在40 V左右并控制溫度約-40℃。通過搭載CuKα靶的Smartlab X射線衍射儀測得基體相衍射強度（測試的掃描速度和角度分別為2（°）/min和40°～100°），后續通過Williamson-Hall法計算位錯密度。

2 實驗結果及分析

2.1 試驗鋼的基體組織

圖1所示為2種試驗鋼的原奧氏體晶粒以及淬火、回火后微觀組織，淬火態組為板條馬氏體，1個原奧氏體晶粒內存在多個取向相近的馬氏體板條束。回火后基體中析出了大量的碳化物，開發鋼組織中的碳化物球化程度較高，而40CrNiMo鋼中除球狀碳化物外，仍存在條狀的碳化物。通過截線法統計了2種試驗鋼的原奧氏體晶粒尺寸，統計面積為100000 μm2。開發鋼的原奧氏體晶粒尺寸為（20.6±7.1）μm，40CrNiMo鋼的原奧氏體晶粒尺寸為（14.5±5.3）μm。雖然V元素、Ni元素均具有細化晶粒的作用，但兩者機制不同，V是通過參與形成MC型碳化物，對晶界起到釘扎作用而抑制晶粒長大。圖2所示為開發鋼經870℃淬火后組織的TEM照片，在所選視場中，僅觀察到1個未溶的MC碳化物，大部分VC發生溶解，故V抑制晶粒長大的作用減弱；Ni是一種奧氏體形成元素，可以擴大奧氏體區，降低加熱時奧氏體轉變開始溫度（AC1）及奧氏體轉變終了溫度（AC3），從而降低奧氏體晶粒的長大速度，起到細化晶粒的作用，故40CrNiMo鋼的晶粒更細小。

圖3所示為2種試驗鋼熱處理后的組織取向及大小角度晶界分布情況，小角度晶界（LAGB）范圍為2°～15°；大角度晶界（HAGB）范圍大于15°。根據圖3（a）和（c）可知，開發鋼的基體部分保持著馬氏體的板條狀結構，而40CrNiMo鋼組織中的馬氏體塊較粗、較短，這可能與Ni具有變形鐵素體的作用有關。從圖3（b）和（d）所示的晶界分布可知，開發鋼的大角度晶界比例為72.3%，而40CrNiMo鋼中僅為60.3%，這是因為開發鋼的回火溫度更高，發生了更充分的回復，促進了小角度晶界向大角度晶界的遷移。但從圖3（e）所示的晶界密度統計結果來看，40CrNiMo鋼的大角度晶界的密度（通過總長度/統計面積計算）更大，為2.92/μm，而開發鋼的僅為2.22/μm。這是由于40CrNiMo鋼的原奧氏體晶粒尺寸更細小，在相同的面積內會存在更多的晶粒，從而提高了晶界的密度。

圖4所示為2種試驗鋼的基體衍射峰及位錯密度，開發鋼的位錯密度較40CrNiMo鋼有較大的下降，這也表明同強度下（10.9級），開發鋼得到了更加充分的回復。

2.2 試驗鋼的碳化物

圖5所示為2種試驗鋼回火后組織中碳化物的TEM照片。由于V的加入，開發鋼組織中出現了MC型碳化物，MC型碳化物尺寸較小（小于20 nm）且成球形[圖5（a）]。此外，開發鋼中還存在著較多M2C、M3C型碳化物[圖5（b）]，較多M2C碳化物與高的回火溫度促進Mo的擴散有關。40CrNiMo鋼中碳化物以M3C型為主，還存在少量M2C型碳化物[圖5（c）和（d）]。

等強度下，開發鋼對應的回火溫度較40CrNiMo鋼更高，高的回火溫度促進了碳化物的球化。因此，開發鋼組織中的碳化物全部為球狀或橢球狀，如圖5（a）和（b）所示，而40CrNiMo鋼組織中仍存在較多長條形的M3C型碳化物。

通過對TEM圖片中碳化物尺寸測量發現，開發鋼中的球形MC碳化物最大直徑不超過20 nm，橢球狀的M2C型碳化物的最大尺寸小于75 nm，球化的M3C型碳化物最大直徑為150 nm左右；

40CrNiMo鋼中橢球狀M2C型碳化物最大直徑在100 nm左右；長條狀M3C型碳化物長度在500 nm以上。圖6所示為2種試驗鋼中所有碳化物最大尺寸的統計結果，統計面積為300 μm2。由圖可見，開發鋼中存在部分尺寸小于20 nm的碳化物，而40CrNiMo鋼中不存在尺寸小于20 nm的碳化物，且開發鋼中碳化物尺寸在20～100 nm及大于100 nm區間的比例也明顯低于40CrNiMo鋼，表明開發鋼中碳化物整體較小，在高的回火溫度下也未發生明顯粗化。根據不同種類碳化物的尺寸特點可以認為尺寸小于20 nm的碳化物為MC型，尺寸大于100 nm的碳化物為M3C型。開發鋼中M3C碳化物比例更低，這因為MC、M2C型碳化物會優于M3C析出，消耗了基體中的碳，降低了M3C的析出量。

2.3 試驗鋼的力學性能

2種試驗鋼經熱處理后的力學性能見表2，由表可見，兩者的抗拉強度相近，均在1100 MPa左右，但開發鋼的-40℃沖擊吸收功更高，達86 J，超過40CrNiMo鋼的74 J。開發鋼中由于V的添加提高了回火抗力，在更高的回火溫度下達到了與40CrNiMo鋼相同的強度。高的回火溫度使得開發鋼的基體發生了更加充分的回復同時促進了組織中碳化物的球化，從而獲得了更高的沖擊吸收功。

圖7所示為2種試驗鋼示波沖擊的載荷-位移曲線，橫坐標S為位移，縱坐標F為載荷。該曲線上存在4個特征載荷，分別為屈服載荷（Fgy）、最大載荷（Fm）、裂紋擴展起始載荷（Fiu）以及終止載荷（Fa）。最大載荷之前的曲線積分可以認為是裂紋萌生功（Wi），最大載荷之后的曲線積分可以認為是裂紋擴展功（Wp）。相比40CrNiMo鋼，開發鋼具有更大的Fgy、Fm、Fiu，同時裂紋擴展功提高10.5 J，裂紋萌生功差異不大。

圖8所示為試驗鋼沖擊斷口的宏觀與微觀形貌，在宏觀斷口上均無明顯的放射區存在，表明該強度等級下，2種試驗鋼均為韌性斷裂。但在開發鋼沖擊斷口的邊緣處觀察到更為明顯的塑性變形[圖8（a）]，這印證了其低溫沖擊功更高。通過微觀照片可以看出，2種試驗鋼的斷裂模式均為準解理斷裂，微觀形貌由韌窩+解理平面組成[圖8（b）和（e）]。不同的是，開發鋼的韌窩更小且較均勻，40CrNiMo鋼的韌窩更大，且在大韌窩附近分布著小韌窩[圖8（c）和（f）]。

2.4 討論

從基體方面來看，40CrNiMo鋼具有較為細小的晶粒與較高的大角度晶界密度。晶粒細小可以使位錯在更多的晶粒中產生運動，使塑形變形更均勻，不易產生應力集中，從而提高低溫韌性；大角度晶界可以更好阻礙裂紋擴展，從而提高鋼的低溫韌性，兩者使得40CrNiMo鋼具有較好的低溫韌性。雖然開發鋼的晶粒尺寸較大，但其回火溫度更高，獲得了更加充分的回復，以此改善了韌性。

碳化物方面，40CrNiMo鋼中的條狀M3C作為裂紋擴展的有利位置但對低溫韌性不利，而開發鋼中出現了MC型碳化物，其尺寸在20 nm以下，有利于減輕應力集中，從而提高低溫韌性。開發鋼組織中M3C型碳化物的比例更低，降低了M3C型碳化物可作為裂紋擴展的有利位置而損害低溫韌性的風險。此外，開發鋼組織中的碳化物均為球狀或橢球狀且較為細小，降低了應力集中程度，提高了裂紋擴展的臨界應力，所以從示波曲線上可以看到開發鋼裂紋擴展功較40CrNiMo鋼有所提高（圖7）。

3 結論

1）同強度下，開發鋼與40CrNiMo鋼的原奧氏體晶粒尺寸分別為（20.6±7.1）、（14.5±5.3）μm，由于40CrNiMo鋼的原奧氏體晶粒更小，大角度晶界密度較開發鋼提高0.7/μm。開發鋼通過V的加入提高了回火抗力，高的回火溫度使得基體得到了更加充分的回復，獲得了更高的大角度晶界密度、較低的位錯密度，提高了基體塑性變形能力，從而改善了基體的韌性。

2）通過V的添加使開發鋼組織內析出了MC型碳化物，并降低了M3C型碳化物的比例，高的回火溫度又使得組織中的M3C型碳化物發生球化且未明顯粗化，而40CrNiMo鋼中大量存在的條形M3C碳化物不利于低溫韌性的提高。另外，2種試驗鋼中還存在部分M2C型碳化物。

3）相近的抗拉強度下（10.9級），開發鋼的-40℃沖擊吸收功為86 J，超過40CrNiMo鋼的74 J，主要是由于裂紋擴展功的提高。該強度下，開發鋼對應的回火溫度為640℃，40CrNiMo鋼對應的回火溫度為580℃。

本文摘自《鋼鐵》 2024 年第12期