基于30CrMnSiNi2A优化材料的相变规律及力学性能研究

2021-03-13庞庆海何春静郎庆斌

大型铸锻件 2021年2期

庞庆海何春静郎庆斌

(1．洛阳中重铸锻有限责任公司，河南471039；2．河南省大型铸锻件工程技术研究中心，河南471039)

30CrMnSiNi2A钢是我国广泛使用的一种超高强度钢，是一种综合性能优良的航空结构材料。国内对该材料已经开展了较为广泛的研究，袁书强等[1]研究了Ni含量约为1.8%的30CrMnSiNi2A钢的力学性能，李志宏等[2]研究了等温时间对30CrMnSiNi2A钢力学性能的影响。目前高强度钢在低温环境应用越来越多，对材料提出了较高的低温韧性要求，因此有必要优化材料成分，研究其低温韧性。

以30CrMnSiNi2A钢为基础，通过提高Ni元素含量，添加Mo和V元素，提高钢的强度、韧性和塑性，增强淬透性，设计了新的试验材料。通过开展试验材料的相变温度测试试验，掌握相变规律，绘制了材料的连续冷却转变曲线。同时研究了材料的低温韧性，对于该材料在低温环境的应用具有重要意义。

1 试验材料及方案

由真空感应熔炼炉制备约50 kg的试验钢锭，经锻造变形及锻后热处理，制成锻坯试块，材料化学成分如表1所示。

表1 试验材料的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions of test material(mass fraction,%)

利用Formstor-FⅡ全自动热膨胀相变仪测试相变温度，试样规格为∅3 mm×10 mm。试样加热速度均为0.1℃s，奥氏体化温度950℃，保温时间20 min，冷却速度分别为5℃s、3℃s、2℃s、1℃s、0.5℃s、0.2℃s、0.1℃s、0.05℃s、0.02℃s、0.013℃s、0.01℃s，冷却速度包含研究钢种实际冷却速度范围。开展30CrMnSiNi2MoV钢的热处理试验，试样规格25 mm×25 mm×180 mm，奥氏体化加热温度880℃，保温2 h后油冷淬火。试样回火温度220℃，保温时间4 h，回火完成后空冷处理。利用光学显微镜观察相变试样和热处理试样的金相组织。

2 试验结果与分析

2.1 相变温度分析

可以看出，试验材料的Ac1为729℃，Ac3为810℃，Ms为310℃。典型相变试样的金相组织如图2所示。

图1 试验材料连续冷却转变曲线Figure 1 Continuous cooling transformation curve of test material

图2 典型相变试样的金相组织Figure 2 Metallographic structure oftypical phase transformation samples

试验材料中由于Mn、Ni等元素的存在，推迟了珠光体的转变和形成[3]，能在较宽的冷却速度范围内获得完全的贝氏体或马氏体组织，具有较好的热处理特性，适合于制作厚截面的铸锻件产品。

2.2 低温韧性研究

低合金高强度钢一般热处理制度是淬火后低温回火，且30CrMnSiNi2A钢在200～300℃之间有一个较宽的回火温度区可保持力学性能的稳定[4]，为此设计了试验材料回火温度为220℃的热处理试验，并开展低温韧性测试。

表2为试验材料的力学性能数据，试样屈服强度为1384 MPa，抗拉强度为1626 MPa，屈强比为0.85。

性能试样的金相组织如图3所示。试样依然保持淬火马氏体的板条状形态，属于回火马氏体组织。对于高强度钢来说，这是一种比较理想的组织，可保证工件强度较高的同时，还有一定的韧性匹配。

表2 30CrMnSiNi2MoV钢的力学性能Table 2 Mechanical properties of30CrMnSiNi2MoV steel

图3 热处理试样的金相组织Figure 3 Metallographic structure of heat treated sample图4 试样不同温度的冲击吸收能量Figure 4 Impact absorbs energy of samplesat different temperatures

在20℃、-20℃、-40℃和-60℃温度条件下测试材料的韧性指标，测试结果如图4所示。可以看出随测试温度降低，试验材料的冲击吸收能量呈缓慢下降趋势。在-60℃测试环境中，KU2为50.3 J，KV2为36.8 J，依然表现出较好的韧性。