摘 要:制备了铬含量(质量分数)分别为０．０１％,０．１０％,０．１３％,０．１６％的高碳钢６５Mn热轧钢带, 利用金相显微镜检测了不同铬含量试样的显微组织及晶粒度,并测试了不同铬含量试样的力学性能. 结果表明:铬元素能细化６５Mn钢的珠光体片层间距,弱化网状铁素体;当铬含量从０．０１％增加至 ０．１６％时,６５Mn钢的晶粒度级别从８．０级提高至８．８级,抗拉强度从８２２MPa增加至９９９MPa,而断 后伸长率从２９％下降至２２％;并且当铬含量低于０．１３％时,铬含量的增加对材料组织和力学性能的 作用效果显著;铬元素通过晶粒细化和第二相Cr３C析出共同影响高碳钢６５Mn的综合力学性能.

关键词:铬含量;高碳钢６５Mn;热轧钢带;显微组织;力学性能;晶粒细化;第二相

中图分类号:TG１４２．１ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７３６Ｇ０５

铬作为钢中一种重要的合金化元素,能提高钢 的淬透性,并且形成合金渗碳体后可以提升钢材的 强度、韧性、抗回火性以及耐磨性等,在碳钢中添加 适量的铬元素可显著改变铁素体的形态及分布,并 能细化晶粒[１].研究铬元素含量对钢材组织和性能 的影响规律和作用机理,有助于合理利用铬元素,节 约社会资源.国内外学者研究了铬含量对高碳钢组 织和性能的影响,但研究课题各有侧重.张样等[２] 研究认为提升高碳工模具钢中的铬含量,有利于细 化退火碳化物,从而使材料具有良好的抗回火性; HOSSAIN 等[３]研究认为高碳钢中随着铬含量的增 加,残余奥氏体的形态发生改变,并且稳定性得以提 升;文献[４Ｇ５]研究了热处理对高铬钢的影响,认为 热处理 形 成 的 显 微 组 织 决 定 了 零 件 的 性 能;文 献[６Ｇ７]也研究了铬对特定钢材力学性能和显微组织的影响.这些研究课题中缺乏铬含量对６５Mn热 轧钢带组织和性能影响的专项研究.６５Mn钢作为 高碳钢中重要的一种,具有良好的强韧性、较高的硬 度及耐磨性等特点,除作为弹性元件的主要用材之 外,还 被 广 泛 应 用 于 磨 切 刃 具、机 械 耐 磨 部 件 等[８Ｇ１０].笔者通过研究铬元素含量对高碳钢６５Mn 热轧钢带组织和性能的影响,并通过探讨铬影响钢材 性能与珠光体转变的机理,试图确定６５Mn钢中的最 佳铬含量,从而指导生产并为科研技术提供支撑.

１ 试验材料与试验方法

１．１ 试验材料

试验材料选用４种高碳钢６５Mn热轧钢带,钢 中铬含量(质量分数,下同)分别为０．０１％,０．１０％, ０．１３％,０．１６％,厚度规格为２．５mm,除铬含量外其 他生产控制工艺均相同,具体化学成分见表１.

１．２ 试验方法

６５Mn钢液采用１８０t顶底复吹转炉冶炼,连铸 生产成２３０mm(厚)×１２８０mm(宽)的钢坯,采用 １７８０mm宽 热 连 轧 设 备 轧 制 为 ２．５ mm(厚)× １２５０mm(宽)的热轧钢带,取热轧钢带生产样(横 向)进行检测.

在 WAWＧ１０００型万能试验机上进行拉伸试验, 测试抗拉强度、屈服强度和断后伸长率;在HBＧ３０００ 型布氏硬度计上检测试样布氏硬度;用４％(体积分 数)的硝酸酒精溶液对抛光金相试样进行侵蚀,在 DMI５０００M 型 金 相 显 微 镜 下 观 察 其 显 微 组 织 和 晶粒度.

２ 试验结果与讨论

２．１ 铬含量对显微组织的影响

图１为不同铬含量试样的显微组织对比,可见 所有试样的显微组织都为珠光体＋铁素体,但随着 铬含量的增加,热轧试样的显微组织趋向细化,尤其 是当铬含量增加到０．１６％时,组织中出现了粒状贝 氏体.这表明铬可以促进珠光体转变,细化珠光体片间距.由图１还可以看出,当铬含量为０．０１％时, 显微组织中存在粗大的网状铁素体,并且分布区域较 广,随着铬含量的增加,网状铁素体得到弱化,当铬含 量达到０．１６％时,网状铁素体基本消失.这是由于钢 中铬元素溶入奥氏体后,可以增加过冷奥氏体的稳定 性,降低淬火临界冷却速度,使C曲线往右移,从而使 得珠光体转变区域减少,转变时间相对变短,抑制了 铁素体长大,所以网状铁素体基本消失.

２．２ 铬含量对晶粒度的影响

图２为不同铬含量试样的晶粒形貌对比,图３为 相应的晶粒度等级对比.可见随着铬含量的增加,试 样的晶粒尺寸逐渐减小,晶粒度等级则逐渐提高,从 铬含量为０．０１％的８．０级提高到了铬含量为０．１６％时 的８．８级,并且晶粒越来越均匀.这是由于铬是一种 与碳有较强亲和力的碳化物形成元素,可以显著减慢 碳在奥氏体中的扩散速度,使奥氏体的形成速度减 慢,增加结晶后单位体积中晶粒的总数目,从而细化 晶粒[１１].而且材料单位体积内的晶粒数量增加,会 使每个晶粒的长大空间余地越来越小,晶粒生长速度 受到抑制,起到减轻晶粒生长不均匀的作用.

从图３还可以发现,当铬含量低于０．１３％时,铬 对热轧 试 样 晶 粒 的 细 化 作 用 显 著,当 铬 含 量 从 ０．１３％增加到０．１６％时,铬对晶粒的细化作用逐渐 下降,表明铬元素对钢材晶粒细化效果随着其含量 的增加趋于下降.这是由于随着铬含量的增加,碳化铬含量提升,当达到一定比例时,铬与碳的结合能 力就会开始下降,从而使晶粒细化的效果开始减弱.

２．３ 铬含量对力学性能的影响

图４和图５ 为不同铬含量试样的力学性能对 比,可见随着铬含量从０．０１％增加到０．１６％,抗拉 强度Rm 从 ８２２ MPa增 加 到 ９９９ MPa,屈 服 强 度 ReL 从 ４６０ MPa 增 加 到 ６３３ MPa,布 氏 硬 度 从 ２４５HBW 增加到２８５HBW,而断后伸长率 A 趋于 下降,从２９％ 降低到 ２２％.当铬含量低于 ０．１３％ 时,随着铬含量的增加,抗拉强度、屈服强度和硬度 变化明显,每增加０．０１％的铬,对应指标提升值分 别为:１５．３MPa,１７．６MPa,３．８HBW.当铬含量大 于０．１３％时,随着铬含量的增加,抗拉强度、屈服强 度和硬度下降,而断后伸长率提升.

从强化机理上分析,铬元素提升材料强度是由于铬与αＧFe同为体心立方晶格,且与 αＧFe原子半 径和电子结构均相近,所以它们在室温下能够无限 固溶,铬原子溶入铁素体后,形成置换固溶体,产生 固溶强化,从而提升强度.并且铬溶入αＧFe后会引 起点阵畸变,阻碍位错运动,增强滑移变形抗力,提 升抗拉强度.

２．４ 讨论

本研究中随着铬含量的增加,材料的强度和硬 度逐渐增加,而塑性降低,可能是由于铬元素使材料 内部珠光体的组织结构发生变化,并且碳含量越接 近共析点,珠光体组织结构对材料性能的影响越大. 因此,６５Mn钢的力学性能与显微组织中珠光体的 片层间距密切相关,而珠光体片层间距与过冷度的 关系如下式所示

式中:S０ 为珠光体片层间距,nm;ΔT 为过冷度,℃.

高碳钢中加入合金元素铬,由于铬能起到扩大 奥氏体区的作用,使钢的 C 曲线右移,推迟了奥氏 体向珠光体的转变,即在冷却速度不变的情况下,降 低了珠光体转变开始温度,增加了转变过冷度.因 此随着铬含量的增加,珠光体片层间距得到细化,从 而使相界面增多,抗塑性变形能力增强,故强度、硬 度提升,这与本文的研究结论一致.另一方面,高碳钢中加入铬元素,使材料产生固溶强化和细晶强化, 常温下细晶强化效果比固溶强化作用要明显.经细 晶强化后,材料塑性变形的抗力就会增大,这也会导 致材料的强度、硬度增加.

高碳 钢 中 添 加 铬 元 素,能 细 化 晶 粒,胡 赓 祥 等[１２]认为晶粒细化可以提升材料的塑性,但是本试 验数据显示,随着铬含量从０．０１％增加到０．１６％, 材料的断后伸长率反而由２９％下降至２２％.这是 由于在高碳钢中形成了第二相 Cr３C,第二相 Cr３C 呈连续网状分布在基体晶粒的边界上,使滑移变形 仅局限于基体晶粒内部,作为硬而脆的第二相 Cr３C 基本不能产生塑性变形,并且阻碍基体的变形.当 基体变形稍大时,晶界处将由于应力集中而产生裂 纹,使材料过早断裂.因此,添加铬元素虽然可以通 过晶粒细化提升材料的塑性,但同时形成的第二相 Cr３C会降低材料的塑性,对于本文研究的６５Mn热 轧钢带,随着铬含量的增加塑性值下降,表明高碳钢 ６５Mn中第二相 Cr３C 对塑性的影响大于细晶强化 的影响.当铬含量从０．１３％增加到０．１６％时,断后 伸长率下降变缓,表明当钢中铬含量达到一定值后, 第二相对高碳钢塑性的影响效果趋于弱化.

３ 结论

(１)铬元素可以促进高碳钢６５Mn的珠光体转 变,细化珠光体片间距,弱化网状铁素体.

(２)高碳钢６５Mn热轧钢带中随着铬含量的增 加,晶粒尺寸逐渐减小,晶粒度等级则逐渐提高,从 铬含 量 为０．０１％ 时 的 ８．０ 级 提 高 到 了 铬 含 量 为 ０．１６％时的８．８级,且晶粒均匀度提升;当铬含量低 于０．１３％时,铬对热轧试样晶粒的细化作用显著.

(３)随着高碳 钢 ６５Mn 热 轧 钢 带 中 铬 含 量 从 ０．０１％增加到０．１６％,抗拉强度从８２２ MPa增加到 ９９９MPa,断后伸长率从２９％降低到２２％;并且当 铬含量低于０．１３％时,强化效果明显.

(４)铬元素通过细化珠光体片层间距来改变材 料性能,而第二相 Cr３C阻碍材料的韧性变形,二者 的共同作用影响着材料的综合力学性能.第二相 Cr３C对６５Mn热轧钢带塑性的影响大于细晶强化 的影响.

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文章来源—— 材料与测试网