摘 要:制備了鉻含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為０．０１％,０．１０％,０．１３％,０．１６％的高碳鋼６５Mn熱軋鋼帶, 利用金相顯微鏡檢測(cè)了不同鉻含量試樣的顯微組織及晶粒度,并測(cè)試了不同鉻含量試樣的力學(xué)性能. 結(jié)果表明:鉻元素能細(xì)化６５Mn鋼的珠光體片層間距,弱化網(wǎng)狀鐵素體;當(dāng)鉻含量從０．０１％增加至 ０．１６％時(shí),６５Mn鋼的晶粒度級(jí)別從８．０級(jí)提高至８．８級(jí),抗拉強(qiáng)度從８２２MPa增加至９９９MPa,而斷 后伸長(zhǎng)率從２９％下降至２２％;并且當(dāng)鉻含量低于０．１３％時(shí),鉻含量的增加對(duì)材料組織和力學(xué)性能的 作用效果顯著;鉻元素通過(guò)晶粒細(xì)化和第二相Cr３C析出共同影響高碳鋼６５Mn的綜合力學(xué)性能.

關(guān)鍵詞:鉻含量;高碳鋼６５Mn;熱軋鋼帶;顯微組織;力學(xué)性能;晶粒細(xì)化;第二相

中圖分類號(hào):TG１４２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７３６Ｇ０５

鉻作為鋼中一種重要的合金化元素,能提高鋼 的淬透性,并且形成合金滲碳體后可以提升鋼材的 強(qiáng)度、韌性、抗回火性以及耐磨性等,在碳鋼中添加 適量的鉻元素可顯著改變鐵素體的形態(tài)及分布,并 能細(xì)化晶粒[１].研究鉻元素含量對(duì)鋼材組織和性能 的影響規(guī)律和作用機(jī)理,有助于合理利用鉻元素,節(jié) 約社會(huì)資源.國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了鉻含量對(duì)高碳鋼組 織和性能的影響,但研究課題各有側(cè)重.張樣等[２] 研究認(rèn)為提升高碳工模具鋼中的鉻含量,有利于細(xì) 化退火碳化物,從而使材料具有良好的抗回火性; HOSSAIN 等[３]研究認(rèn)為高碳鋼中隨著鉻含量的增 加,殘余奧氏體的形態(tài)發(fā)生改變,并且穩(wěn)定性得以提 升;文獻(xiàn)[４Ｇ５]研究了熱處理對(duì)高鉻鋼的影響,認(rèn)為 熱處理 形 成 的 顯 微 組 織 決 定 了 零 件 的 性 能;文 獻(xiàn)[６Ｇ７]也研究了鉻對(duì)特定鋼材力學(xué)性能和顯微組織的影響.這些研究課題中缺乏鉻含量對(duì)６５Mn熱 軋鋼帶組織和性能影響的專項(xiàng)研究.６５Mn鋼作為 高碳鋼中重要的一種,具有良好的強(qiáng)韌性、較高的硬 度及耐磨性等特點(diǎn),除作為彈性元件的主要用材之 外,還 被 廣 泛 應(yīng) 用 于 磨 切 刃 具、機(jī) 械 耐 磨 部 件 等[８Ｇ１０].筆者通過(guò)研究鉻元素含量對(duì)高碳鋼６５Mn 熱軋鋼帶組織和性能的影響,并通過(guò)探討鉻影響鋼材 性能與珠光體轉(zhuǎn)變的機(jī)理,試圖確定６５Mn鋼中的最 佳鉻含量,從而指導(dǎo)生產(chǎn)并為科研技術(shù)提供支撐.

１ 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

１．１ 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用４種高碳鋼６５Mn熱軋鋼帶,鋼 中鉻含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)分別為０．０１％,０．１０％, ０．１３％,０．１６％,厚度規(guī)格為２．５mm,除鉻含量外其 他生產(chǎn)控制工藝均相同,具體化學(xué)成分見(jiàn)表１.

１．２ 試驗(yàn)方法

６５Mn鋼液采用１８０t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉,連鑄 生產(chǎn)成２３０mm(厚)×１２８０mm(寬)的鋼坯,采用 １７８０mm寬 熱 連 軋 設(shè) 備 軋 制 為 ２．５ mm(厚)× １２５０mm(寬)的熱軋鋼帶,取熱軋鋼帶生產(chǎn)樣(橫 向)進(jìn)行檢測(cè).

在 WAWＧ１０００型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn), 測(cè)試抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率;在HBＧ３０００ 型布氏硬度計(jì)上檢測(cè)試樣布氏硬度;用４％(體積分 數(shù))的硝酸酒精溶液對(duì)拋光金相試樣進(jìn)行侵蝕,在 DMI５０００M 型 金 相 顯 微 鏡 下 觀 察 其 顯 微 組 織 和 晶粒度.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 鉻含量對(duì)顯微組織的影響

圖１為不同鉻含量試樣的顯微組織對(duì)比,可見(jiàn) 所有試樣的顯微組織都為珠光體＋鐵素體,但隨著 鉻含量的增加,熱軋?jiān)嚇拥娘@微組織趨向細(xì)化,尤其 是當(dāng)鉻含量增加到０．１６％時(shí),組織中出現(xiàn)了粒狀貝 氏體.這表明鉻可以促進(jìn)珠光體轉(zhuǎn)變,細(xì)化珠光體片間距.由圖１還可以看出,當(dāng)鉻含量為０．０１％時(shí), 顯微組織中存在粗大的網(wǎng)狀鐵素體,并且分布區(qū)域較 廣,隨著鉻含量的增加,網(wǎng)狀鐵素體得到弱化,當(dāng)鉻含 量達(dá)到０．１６％時(shí),網(wǎng)狀鐵素體基本消失.這是由于鋼 中鉻元素溶入奧氏體后,可以增加過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定 性,降低淬火臨界冷卻速度,使C曲線往右移,從而使 得珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域減少,轉(zhuǎn)變時(shí)間相對(duì)變短,抑制了 鐵素體長(zhǎng)大,所以網(wǎng)狀鐵素體基本消失.

２．２ 鉻含量對(duì)晶粒度的影響

圖２為不同鉻含量試樣的晶粒形貌對(duì)比,圖３為 相應(yīng)的晶粒度等級(jí)對(duì)比.可見(jiàn)隨著鉻含量的增加,試 樣的晶粒尺寸逐漸減小,晶粒度等級(jí)則逐漸提高,從 鉻含量為０．０１％的８．０級(jí)提高到了鉻含量為０．１６％時(shí) 的８．８級(jí),并且晶粒越來(lái)越均勻.這是由于鉻是一種 與碳有較強(qiáng)親和力的碳化物形成元素,可以顯著減慢 碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度,使奧氏體的形成速度減 慢,增加結(jié)晶后單位體積中晶粒的總數(shù)目,從而細(xì)化 晶粒[１１].而且材料單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)量增加,會(huì) 使每個(gè)晶粒的長(zhǎng)大空間余地越來(lái)越小,晶粒生長(zhǎng)速度 受到抑制,起到減輕晶粒生長(zhǎng)不均勻的作用.

從圖３還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)鉻含量低于０．１３％時(shí),鉻 對(duì)熱軋 試 樣 晶 粒 的 細(xì) 化 作 用 顯 著,當(dāng) 鉻 含 量 從 ０．１３％增加到０．１６％時(shí),鉻對(duì)晶粒的細(xì)化作用逐漸 下降,表明鉻元素對(duì)鋼材晶粒細(xì)化效果隨著其含量 的增加趨于下降.這是由于隨著鉻含量的增加,碳化鉻含量提升,當(dāng)達(dá)到一定比例時(shí),鉻與碳的結(jié)合能 力就會(huì)開(kāi)始下降,從而使晶粒細(xì)化的效果開(kāi)始減弱.

２．３ 鉻含量對(duì)力學(xué)性能的影響

圖４和圖５ 為不同鉻含量試樣的力學(xué)性能對(duì) 比,可見(jiàn)隨著鉻含量從０．０１％增加到０．１６％,抗拉 強(qiáng)度Rm 從 ８２２ MPa增 加 到 ９９９ MPa,屈 服 強(qiáng) 度 ReL 從 ４６０ MPa 增 加 到 ６３３ MPa,布 氏 硬 度 從 ２４５HBW 增加到２８５HBW,而斷后伸長(zhǎng)率 A 趨于 下降,從２９％ 降低到 ２２％.當(dāng)鉻含量低于 ０．１３％ 時(shí),隨著鉻含量的增加,抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度 變化明顯,每增加０．０１％的鉻,對(duì)應(yīng)指標(biāo)提升值分 別為:１５．３MPa,１７．６MPa,３．８HBW.當(dāng)鉻含量大 于０．１３％時(shí),隨著鉻含量的增加,抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng) 度和硬度下降,而斷后伸長(zhǎng)率提升.

從強(qiáng)化機(jī)理上分析,鉻元素提升材料強(qiáng)度是由于鉻與αＧFe同為體心立方晶格,且與 αＧFe原子半 徑和電子結(jié)構(gòu)均相近,所以它們?cè)谑覝叵履軌驘o(wú)限 固溶,鉻原子溶入鐵素體后,形成置換固溶體,產(chǎn)生 固溶強(qiáng)化,從而提升強(qiáng)度.并且鉻溶入αＧFe后會(huì)引 起點(diǎn)陣畸變,阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),增強(qiáng)滑移變形抗力,提 升抗拉強(qiáng)度.

２．４ 討論

本研究中隨著鉻含量的增加,材料的強(qiáng)度和硬 度逐漸增加,而塑性降低,可能是由于鉻元素使材料 內(nèi)部珠光體的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,并且碳含量越接 近共析點(diǎn),珠光體組織結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的影響越大. 因此,６５Mn鋼的力學(xué)性能與顯微組織中珠光體的 片層間距密切相關(guān),而珠光體片層間距與過(guò)冷度的 關(guān)系如下式所示

式中:S０ 為珠光體片層間距,nm;ΔT 為過(guò)冷度,℃.

高碳鋼中加入合金元素鉻,由于鉻能起到擴(kuò)大 奧氏體區(qū)的作用,使鋼的 C 曲線右移,推遲了奧氏 體向珠光體的轉(zhuǎn)變,即在冷卻速度不變的情況下,降 低了珠光體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度,增加了轉(zhuǎn)變過(guò)冷度.因 此隨著鉻含量的增加,珠光體片層間距得到細(xì)化,從 而使相界面增多,抗塑性變形能力增強(qiáng),故強(qiáng)度、硬 度提升,這與本文的研究結(jié)論一致.另一方面,高碳鋼中加入鉻元素,使材料產(chǎn)生固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化, 常溫下細(xì)晶強(qiáng)化效果比固溶強(qiáng)化作用要明顯.經(jīng)細(xì) 晶強(qiáng)化后,材料塑性變形的抗力就會(huì)增大,這也會(huì)導(dǎo) 致材料的強(qiáng)度、硬度增加.

高碳 鋼 中 添 加 鉻 元 素,能 細(xì) 化 晶 粒,胡 賡 祥 等[１２]認(rèn)為晶粒細(xì)化可以提升材料的塑性,但是本試 驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,隨著鉻含量從０．０１％增加到０．１６％, 材料的斷后伸長(zhǎng)率反而由２９％下降至２２％.這是 由于在高碳鋼中形成了第二相 Cr３C,第二相 Cr３C 呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在基體晶粒的邊界上,使滑移變形 僅局限于基體晶粒內(nèi)部,作為硬而脆的第二相 Cr３C 基本不能產(chǎn)生塑性變形,并且阻礙基體的變形.當(dāng) 基體變形稍大時(shí),晶界處將由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂 紋,使材料過(guò)早斷裂.因此,添加鉻元素雖然可以通 過(guò)晶粒細(xì)化提升材料的塑性,但同時(shí)形成的第二相 Cr３C會(huì)降低材料的塑性,對(duì)于本文研究的６５Mn熱 軋鋼帶,隨著鉻含量的增加塑性值下降,表明高碳鋼 ６５Mn中第二相 Cr３C 對(duì)塑性的影響大于細(xì)晶強(qiáng)化 的影響.當(dāng)鉻含量從０．１３％增加到０．１６％時(shí),斷后 伸長(zhǎng)率下降變緩,表明當(dāng)鋼中鉻含量達(dá)到一定值后, 第二相對(duì)高碳鋼塑性的影響效果趨于弱化.

３ 結(jié)論

(１)鉻元素可以促進(jìn)高碳鋼６５Mn的珠光體轉(zhuǎn) 變,細(xì)化珠光體片間距,弱化網(wǎng)狀鐵素體.

(２)高碳鋼６５Mn熱軋鋼帶中隨著鉻含量的增 加,晶粒尺寸逐漸減小,晶粒度等級(jí)則逐漸提高,從 鉻含 量 為０．０１％ 時(shí) 的 ８．０ 級(jí) 提 高 到 了 鉻 含 量 為 ０．１６％時(shí)的８．８級(jí),且晶粒均勻度提升;當(dāng)鉻含量低 于０．１３％時(shí),鉻對(duì)熱軋?jiān)嚇泳Я５募?xì)化作用顯著.

(３)隨著高碳 鋼 ６５Mn 熱 軋 鋼 帶 中 鉻 含 量 從 ０．０１％增加到０．１６％,抗拉強(qiáng)度從８２２ MPa增加到 ９９９MPa,斷后伸長(zhǎng)率從２９％降低到２２％;并且當(dāng) 鉻含量低于０．１３％時(shí),強(qiáng)化效果明顯.

(４)鉻元素通過(guò)細(xì)化珠光體片層間距來(lái)改變材 料性能,而第二相 Cr３C阻礙材料的韌性變形,二者 的共同作用影響著材料的綜合力學(xué)性能.第二相 Cr３C對(duì)６５Mn熱軋鋼帶塑性的影響大于細(xì)晶強(qiáng)化 的影響.

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