馬金偉， 安勝利， 賈 禮， 付學(xué)義， 薛 瑞， 高占勇

(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 鄂爾多斯市神東天隆礦山機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200；3. 包鋼鋼聯(lián)股份有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

高強(qiáng)鋼通常采用淬火后低溫回火得到馬氏體，以獲得較高的強(qiáng)度和良好的韌性[1-3]，還可以通過改變合金元素含量來調(diào)節(jié)綜合力學(xué)性能。隨著用戶對(duì)強(qiáng)韌性綜合力學(xué)性能要求的日益提升，特別是對(duì)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(qiáng)度和韌性，因此添加適當(dāng)含量的Ni已成為改善力學(xué)性能的重要手段[3-8]。Ni是形成和穩(wěn)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(qiáng)度、細(xì)化晶粒，起到固溶強(qiáng)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(duì)鋼強(qiáng)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(huì)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(duì)30CrMnSi2鋼組織與性能的影響規(guī)律，在保證強(qiáng)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(fā)一種性價(jià)比較高的工程機(jī)械用高強(qiáng)高韌鋼。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用真空感應(yīng)熔煉爐冶煉6種不同Ni含量的30CrMnSi2鋼，試驗(yàn)鋼編號(hào)及成分如表1所示。鑄錠經(jīng)三鐓三拔后進(jìn)行熱處理。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)鋼鐓拔后的熱處理工藝如圖1所示。采用AXiover200 MAT光學(xué)顯微鏡和QUANTA400掃描電鏡對(duì)熱處理試樣進(jìn)行顯微組織及微觀、宏觀斷口觀察，并使用TouchRook150洛氏硬度計(jì)測量硬度。使用CSS-88500萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)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(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Ni含量對(duì)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(yàn)鋼經(jīng)260 ℃低溫回火后的顯微組織如圖2所示。由圖2可見，經(jīng)低溫回火后不同Ni含量試驗(yàn)鋼的組織全部為板條狀回火馬氏體和少量M/A島。當(dāng)Ni含量較少時(shí)(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(shù)量是影響低溫回火組織韌性的主要因素，因?yàn)榇慊饡r(shí)形成的塊狀M/A島經(jīng)低溫回火后，轉(zhuǎn)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(xì)長，見圖2(c)，當(dāng)Ni含量達(dá)到1.0%時(shí)(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(xì)長的馬氏體板條束表現(xiàn)出優(yōu)良的韌性。隨著Ni含量進(jìn)一步增加，見圖2(e，f)，馬氏體板條束更加細(xì)長，但白色的M/A島數(shù)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(yàn)鋼經(jīng)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(yàn)鋼經(jīng)260 ℃低溫回火后的SEM顯微組織。由圖3可明顯看到，M/A島區(qū)域由低碳α相和彌散的ε-碳化物組成。淬火時(shí)形成的馬氏體板條束區(qū)域經(jīng)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(xì)長，見圖3(c～f)。細(xì)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(yàn)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(kuò)大γ相區(qū)，提高鋼的淬透性，促進(jìn)馬氏體相變，Ni含量越高促進(jìn)效果越明顯。因此當(dāng)Ni含量逐漸增加時(shí)，馬氏體位錯(cuò)密度越來越高，板條越細(xì)密，板條束更加均勻。Ni本身就有細(xì)化晶粒的作用，其晶體結(jié)構(gòu)與Fe相同，二者之間的錯(cuò)配度很小，因此Ni的直接強(qiáng)化作用并不明顯，但是Ni能夠降低C原子的擴(kuò)散激活能，從而提高C原子的擴(kuò)散系數(shù)，因此C原子更容易擴(kuò)散至位錯(cuò)或者缺陷處，導(dǎo)致C在位錯(cuò)周圍富集，阻礙位錯(cuò)滑移，通過這種方式來提高鋼的強(qiáng)度。但當(dāng)Ni含量過大時(shí)，板條狀馬氏體數(shù)量增長的同時(shí)，殘留奧氏體數(shù)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(qiáng)度遠(yuǎn)低于板條狀馬氏體，因而鋼的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)降低的現(xiàn)象[16]。

2.2 Ni含量對(duì)沖擊斷口的影響

圖4為260 ℃低溫回火后，不同Ni含量試驗(yàn)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(shí)，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(shí)，沖擊吸收能量增長緩慢，在3.0%Ni 時(shí)，達(dá)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(yàn)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(yàn)鋼的沖擊斷口宏觀形貌如圖5所示。為了精確計(jì)算韌性區(qū)域面積，圖5中標(biāo)出了斷口的剪切唇和纖維區(qū)。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(qū)所占的比例逐漸增大，中心纖維區(qū)域相對(duì)較大，放射區(qū)也在增加。當(dāng)Ni含量為1.0%時(shí)，纖維區(qū)和剪切唇所占比例幾乎達(dá)到最大，纖維區(qū)突出明顯。當(dāng)Ni含量超過1.0%時(shí)，宏觀斷口變化不大。沖擊吸收能量與韌性區(qū)域面積有著十分密切的聯(lián)系。因此通過宏觀斷口測量出不同Ni含量試驗(yàn)鋼宏觀斷口的韌性區(qū)域面積。如圖6所示，隨著Ni含量的升高，試驗(yàn)鋼的韌性區(qū)域面積與沖擊吸收能量呈近似線性關(guān)系，即韌性區(qū)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(qiáng)螺位錯(cuò)的交滑移，添加Ni可以提升抗解理斷裂的能力，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度[17-18]。因此，隨著Ni含量的增加，鋼的位錯(cuò)移動(dòng)性提高，塑性變形的能力增強(qiáng)，在宏觀斷口表現(xiàn)為韌性區(qū)域面積的提升。

圖5 不同Ni含量試驗(yàn)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(yàn)鋼的韌性斷裂區(qū)域面積與沖擊吸收能量的關(guān)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(yàn)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(shí)，斷口韌窩很淺，數(shù)量最少，有少量撕裂棱出現(xiàn)；0.5%Ni時(shí)，斷口形貌相對(duì)于0.2%Ni有所改善，撕裂棱數(shù)量有所增加，撕裂棱上的韌窩小而淺；0.8%Ni時(shí)，相對(duì)于前兩種含量試驗(yàn)鋼，斷口微觀形貌有所改善，韌窩深且數(shù)量也有增加；隨著Ni含量繼續(xù)增加，1.0%Ni時(shí)，斷口韌窩變得越來越深，數(shù)量也不斷增加，且出現(xiàn)了等軸韌窩，組織也變得更加均勻；Ni含量達(dá)到3.0%時(shí)，韌窩更深、更大，等軸韌窩數(shù)量繼續(xù)增加。

圖7 不同Ni含量試驗(yàn)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(jīng)出現(xiàn)了部分韌窩，說明在韌性斷裂之前，已經(jīng)發(fā)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(shù)量增多且韌窩尺寸變大，說明在韌性斷裂之前發(fā)生了更大的塑性變形，從而消耗了更多的能量。3.0%Ni試驗(yàn)鋼的沖擊吸收能量為76.7 J，相比1.0%Ni時(shí)的沖擊吸收能量74.1 J增加不明顯，考慮到Ni元素價(jià)格昂貴，1.0%Ni含量試驗(yàn)鋼具有更高的性價(jià)比。

2.3 Ni含量對(duì)力學(xué)性能的影響

圖8為不同Ni含量試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能。可以看出，Ni含量對(duì)高強(qiáng)鋼綜合力學(xué)性能的影響比較顯著，隨著Ni含量的提升，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(qiáng)鋼的力學(xué)性能與其顯微組織關(guān)系密切，其強(qiáng)度的大小主要取決于板條狀馬氏體的數(shù)量、板條的粗細(xì)程度和殘留奧氏體的數(shù)量。其中板條狀馬氏體具有較高的位錯(cuò)密度，板條馬氏體數(shù)量越多位錯(cuò)密度越大，從而提升鋼的強(qiáng)度和韌性。而殘留奧氏體越多，會(huì)導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度越低，伸長率越高。

圖8 不同Ni含量試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能(a)強(qiáng)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(dāng)鋼中加入了微量合金元素Ni時(shí)，鋼的強(qiáng)度得到提升，這是因?yàn)镹i本身具有細(xì)化晶粒、固溶強(qiáng)化和促進(jìn)馬氏體相變的能力，當(dāng)馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，由于Ni元素的加入，板條狀馬氏體的位錯(cuò)密度變得更高，使得馬氏體強(qiáng)度變大[19]。隨著Ni含量的不斷增加，鋼中碳元素的擴(kuò)散速率升高，馬氏體板條的生長速度增加，由于Ni是強(qiáng)奧氏體穩(wěn)定化元素，在試驗(yàn)鋼中馬氏體含量增加的同時(shí)也出現(xiàn)了很多殘留奧氏體[20]，殘留奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定性和熱力學(xué)穩(wěn)定性都很差，這使得殘留奧氏體的強(qiáng)度、硬度遠(yuǎn)小于板條狀馬氏體。由于Ni具有穩(wěn)定奧氏體的作用，隨著Ni含量的不斷增加，奧氏體越來越穩(wěn)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)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(jié)論

1) 不同Ni含量的試驗(yàn)鋼經(jīng)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(zhuǎn)變?yōu)榈吞鸡料嗪蛷浬⒌摩?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(xì)長，M/A島變得細(xì)長。Ni含量為1.0%時(shí)的組織相對(duì)細(xì)小、均勻。

2) 試驗(yàn)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(shù)量增加，在Ni含量為1.0%時(shí)出現(xiàn)部分等軸韌窩。宏觀斷口則表明，隨著Ni含量的增加，試驗(yàn)鋼的韌性區(qū)域面積在增大，韌性區(qū)域面積與沖擊吸收能量呈近似線性關(guān)系，因此沖擊吸收能量也在增加，在Ni含量為3.0%時(shí)韌性區(qū)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(shí)，試驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)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(shù)量不斷增加，強(qiáng)度下降，韌塑性增強(qiáng)。綜合考慮性能提升與合金化成本，Ni含量為1.0%時(shí)試驗(yàn)鋼具有較高的性價(jià)比。