不同热处理条件下30CrMnSiNi2A钢的组织性能研究

袁书强，沈正祥，周春华，刘峰涛，王 芳，杨 辉，陈 炯

(北方材料科学与工程研究院有限公司宁波所，浙江 宁波 315103)

30CrMnSiNi2A是一种常见的超高强度合金钢，因具有较好的延性及韧性，已广泛应用于我国航空工业［1－3］.材料的成分［4］或热处理工艺不同［5－6］，其性能会出现很大差异.为保证后续加工的顺利进行，材料性能(如硬度)成为热处理环节考虑的重要因素，故降低材料硬度是改善材料加工性能的一种重要环节［7－8］.为此必须考虑材料成分不同，尤其是碳含量不同对热处理后材料硬度的影响，才能制定出合理热处理工艺［9－10］.本文对不同碳含量及不同回火温度下30CrMnSiNi2A的性能进行研究，并对其组织和断口形貌进行观察，分析了回火脆性的原因.

1 实 验

1.1 试样制备

为了确保试样材料具备良好的综合性能，根据冶标硫磷含量小于0.02%wt的要求，采用中频感应炉进行熔炼，在熔炼过程中加入锰铁、铬铁、硅铁、生铁、纯镍调节合金成分，冶炼出上、中、下限材料并改锻成Ф60 mm的电极棒，电渣工艺采30%AL2O3+70%CaF渣系、电压42 V、电流1 800～2 000 A冶炼，试样冶炼结果如表1所示.

表130 CrMnSiNi2A的化学成分(质量分数/%)

1.2 锻造及热处理

试件材料锻造时，始锻温度为1 180～1 200℃，终锻温度大于850℃，锻后退火温度为680℃，保存6 h后随炉冷至200℃出炉.锻件形状分两种，其尺寸分别为15 mm×70 mm×300 mm和Ф60×(1 600～1 800)mm.拉伸试验采用Ф5 mm型试件，冲击试验采用U型缺口试件.

热处理时首先进行910℃×1.5 h正火处理，然后进行900℃×1.5 h淬火处理和180℃×3 h预回火处理，最后根据不同的强度要求在180～530℃范围内进行回火，测定每个回火温度条件下的材料性能.

2 结果分析与讨论

2.1 力学性能

在180～530℃之间选取8个温度点进行回火，3种碳含量下试件的典型力学性能如图1～3及表2所示.

图1 回火温度对抗拉强度及屈服强度的影响

图2 回火温度对伸长率的影响

图3 回火温度对断面收缩率的影响

表2 不同回火温度下30CrMnSiNi2A的硬度

可以看出低温回火后30CrMnSiNi2A具有较高的强度和硬度，随着回火温度升高，其强度和硬度均逐渐下降，伸长率和断面收缩率则总体呈上升趋势，塑性变形能力增强.图4为不同回火温度下30CrMnSiNi2A屈服强度与碳含量的关系，可看出随着碳含量增加，30CrMnSiNi2A的强度变大.当回火温度升高，尽管强度下降，但其延性和韧性增加.

图4 不同回火温度下碳含量与屈服强度的关系

2.2 组织及断口形貌分析

马氏体回火过程可分为四个阶段，即ε碳化物析出阶段、残留奥氏体分解阶段、渗碳体形成阶段和晶格回复及碳化物长大阶段［13－14］.从晶格常数回复角度来看，可分为高碳马氏体向低碳马氏体转化阶段、低碳马氏体保持阶段及低碳马氏体向铁素体转化阶段.在此过程中马氏体的碳含量由于ε相析出迅速将为0.25%，当回火温度进一步升高，ε碳化物向θ及χ碳化物转化，马氏体的碳含量减为0.02%并伴随出现回火脆性.碳钢的回火脆性一般在200～400℃回火时出现，合金钢250～450℃回火出现，但造成回火脆性的机制尚未完全澄清.

图5为不同回火温度下30CrMnSiNi2A的显微组织，可以看出280℃以下其组织主要为回火马氏体.随着回火温度升高，碳化物逐渐长大，组织也从回火马氏体向索氏体转变.

图5 不同回火温度下30CrMnSiNi2A的显微组织

图6为不同回火温度下30CrMnSiNi2A的断口形貌，可看出280℃以下回火时其断口形貌均为韧窝断口.随着回火温度升高，断口形貌逐渐变为解理及沿晶断口.当碳含量为下限时，试件在330℃回火后其断口为韧窝加少量小平面;在380℃回火后其断口为准解理;在430℃以上回火其基本为沿晶断口.当碳含量为上限时，试件在330～380℃回火后其断口为准解理，而430℃以上回火其断口全部为沿晶.

不同成分的钢引起回火脆性的原因往往是不相同的，因此不能单凭一种脆化机制解释钢的回火脆［15］.就 30CrMnSiNi2A 而言，180～280 ℃ 回火时其金相组织为回火马氏体，呈束状排列且具有明显的方向性，随着回火温度升高，马氏体板条加宽，碳化物逐渐长大，方向性消失.330℃回火时，可发现ε碳化物明显聚集长大，其组织也由回火马氏体转变为索氏体.同时断口形貌也从韧窝断口向解理及沿晶断口转变，这些现象表明试件出现了回火脆性［11］.ε碳化物的析出一般会伴随着马氏体晶格参量的变化，晶格参量的第一个陡降阶段(25～180℃)对应着ε碳化物的析出及高碳马氏体向低碳马氏体的转化过程.第二个陡降阶段(280～330℃)晶格参量c/a趋于1，这个阶段恰好是回火马氏体向索氏体转化的过程，因而可证明ε碳化物开始向θ及χ碳化物转化时，形核是造成回火脆性的主要原因之一［12］.

3 结论

1)30CrMnSiNi2A在低温回火时具有较高的强度和硬度，随着回火温度升高，其强度和硬度均逐渐下降，但伸长率和断面收缩率却总体呈上升趋势，塑性变形能力增强;当碳含量增大，30CrMnSiNi2A的强度变大.

2)当回火温度低于280℃时，30CrMnSiNi2A的组织为回火马氏体;当回火温度升高时，碳化物长大，其组织也由回火马氏体向索氏体转变.

3)回火温度低于280℃时，30CrMnSiNi2A的断口形貌均为韧窝断口;随着回火温度升高，其断口形貌逐渐演变为解理及沿晶断口.

4)ε碳化物开始向θ及χ碳化物转化时，形核是造成30CrMnSiNi2A回火脆性的主要原因之一.

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