Ni含量對淬回火態(tài)40CrNiMo鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響

關(guān)蘊奇， 李 亮， 胡文祥， 史正良， 徐 嘉

(1. 空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室， 廣東 珠海 519070；2. 廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點實驗室， 廣東 珠海 519070)

40CrNiMo鋼以其良好的綜合力學(xué)性能和相對低廉的成本，廣泛應(yīng)用于機械制造工業(yè)，在航空領(lǐng)域亦有所應(yīng)用，近年來仍有企業(yè)和高校對其進行研究[1-4]。Ni是40CrNiMo鋼重要的化學(xué)成分，從合金化角度一般認為Ni不僅可以顯著提高鋼的淬透性，也可有效提高鋼的強度和韌性[5]。GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對40CrNiMo鋼中Ni含量的要求范圍較大(1.25%～1.65%)，不同廠家、不同批次40CrNiMo鋼材的Ni含量可能存在較大差距，由此產(chǎn)生的波動非常不利于機械制品性能的穩(wěn)定性，因此對于制造業(yè)而言，從化學(xué)成分層面研究選材的傾向性，針對指定產(chǎn)品制定嚴于國標要求的材料化學(xué)成分指標具有重要意義。

前期研究表明，Ni含量的變化對不同化學(xué)成分淬回火態(tài)Cr-Ni-Mo系鋼的影響不同。韓順等[6]對300M鋼的研究表明，隨著Ni含量從1.92%增加至5.07%，300M鋼的硬度和抗拉強度降低，其斷裂韌性在Ni含量3.06%時最高。王之香等[7]對高鐵車軸鋼的研究表明，隨著Ni含量從0.20%增加至1.20%，高鐵車軸鋼的強度、伸長率和沖擊吸收能量提高，650 ℃回火狀態(tài)下的抗拉強度和屈服強度分別達到759 MPa和608 MPa。褚錦輝等[8]對30Cr2Ni4MoV鋼的研究表明，Ni含量在3.29%～3.61%范圍內(nèi)，30Cr2Ni4MoV鋼的抗拉強度、屈服強度和沖擊吸收能量基本不變，因此可以通過降低Ni含量來節(jié)約成本。其他結(jié)構(gòu)鋼中也有針對Ni含量的研究，陶素芬等[9]對海洋工程用鋼EQ70的研究表明，隨著Ni含量從1.53%增加至2.06%，EQ70鋼的Ac1和Ms降低，貝氏體的轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間、轉(zhuǎn)變冷速范圍和組織形貌發(fā)生變化，而馬氏體形貌沒有明顯變化。蔣波等[10]對中碳合金鋼的研究表明，質(zhì)量分數(shù)為0.6%的Ni加入，抑制了鐵素體和珠光體相變，促進了貝氏體和馬氏體相變，同時可以細化奧氏體冷卻后的顯微組織。

本文針對符合GB/T 3077—2015化學(xué)成分的不同Ni含量的40CrNiMo鋼，進行淬回火處理后測試其硬度、抗拉強度和沖擊吸收能量，以分析Ni含量對該鋼種力學(xué)性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本文的試驗材料為符合GB/T 3077—2015化學(xué)成分，并分別具有低Ni和高Ni含量的兩種40CrNiMo鋼，使用ARL easySpark 1160火花直讀光譜儀測定的化學(xué)成分如表1所示，兩種試驗材料的Ni含量相差0.272%，分別接近國標要求的上限和下限。

表1 40CrNiMo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖1 淬火態(tài)40CrNiMo鋼的原奧氏體晶粒形貌(a)低Ni含量；(b)高Ni含量Fig.1 Prior austenite grain morphologies of the quenched 40CrNiMo steel(a) low Ni content; (b) high Ni content

使用飽和苦味酸水溶液浸蝕經(jīng)850 ℃淬火并保溫30 min后的試驗材料，通過光學(xué)顯微鏡觀察到的原奧氏體晶粒形貌如圖1所示，測定低Ni含量和高Ni含量40CrNiMo鋼的晶粒度等級分別為10.5級和11.0級，晶粒度等級差距很小，因此忽略其在本文試驗條件下對力學(xué)性能的影響。

1.2 試驗方法

圖2 熱處理工藝曲線Fig.2 Process curve of heat treatment

試驗材料經(jīng)淬火+回火處理后進行各項試驗，使用的熱處理設(shè)備為高溫箱式爐，淬火介質(zhì)為德潤寶Iso-Max 169淬火油。具體的熱處理工藝曲線如圖2所示，其中回火處理共試驗3組溫度(450、500、550 ℃)，出爐后立即水冷。使用日本理學(xué)Automate2 X射線衍射儀測定淬火后試驗材料的殘留奧氏體含量，其中X射線衍射儀采用CrKα輻射、V濾波片，X射線管的電壓、電流分別設(shè)定為40 kV、40 mA，測定α-Fe、γ-Fe的2θ衍射角分別設(shè)定為156.4°、128.4°，測定α-Fe、γ-Fe的照射時間分別為50 s和100 s，采用半高寬法定峰，取多次測定結(jié)果的總體范圍作為最終結(jié)果。

試驗材料經(jīng)熱處理后拋光去除氧化層，經(jīng)硝酸酒精腐蝕后，使用FEI掃描電鏡觀察顯微組織，并使用維氏硬度計進行硬度檢驗，載荷砝碼1 kg，然后分別在萬能試驗機和擺錘沖擊試驗機上進行室溫拉伸試驗和室溫沖擊試驗，拉伸試樣和V型缺口沖擊試樣的形狀尺寸分別如圖3、圖4所示，取多次試驗結(jié)果的平均值作為最終試驗結(jié)果。

圖5 40CrNiMo鋼在450 ℃回火后的顯微組織(a，c)低Ni含量；(b，d)高Ni含量Fig.5 Microstructure of the 40CrNiMo steel tempered at 450 ℃(a,c) low Ni content; (b,d) high Ni content

圖3 拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.3 Shape and dimension of tensile specimen

圖4 V型缺口沖擊試樣的形狀和尺寸Fig.4 Shape and dimension of V-notch impact specimen

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 Ni含量對顯微組織的影響

450 ℃回火后，兩種試驗鋼的顯微組織如圖5所示，主要組織均為回火屈氏體，由于中溫回火的溫度較高，兩種試驗鋼的馬氏體基本完全分解，碳化物形態(tài)也無明顯差異。

550 ℃回火后，兩種試驗鋼的顯微組織如圖6所示，主要組織變?yōu)榛鼗鹚魇象w，馬氏體分解程度加大且碳化物聚集長大，但兩種試驗材料依然無明顯差異，表明在本試驗條件下，Ni含量對40CrNiMo鋼淬回火后的顯微組織無明顯影響，而殘留奧氏體由于含量很少而難以辨識，下文采用X射線法對其含量進行測定。

圖6 40CrNiMo鋼在550 ℃回火后的顯微組織(a，c)低Ni含量；(b，d)高Ni含量Fig.6 Microstructure of the 40CrNiMo steel tempered at 550 ℃(a,c) low Ni content; (b,d) high Ni content

2.2 Ni含量對殘留奧氏體含量的影響

經(jīng)850 ℃淬火處理后，采用X射線測定低Ni含量和高Ni含量40CrNiMo鋼的殘留奧氏體體積分數(shù)分別為6.8%～7.5%和6.7%～7.8%，表明Ni含量對40CrNiMo鋼的殘留奧氏體含量無明顯影響。Ni在γ-Fe中可以無限溶解，屬于擴大γ相區(qū)的元素，一般認為Ni含量增加會提高殘留奧氏體含量，但本文試驗條件下未體現(xiàn)出此效果，推測Ni含量的增加，一方面使40CrNiMo鋼的淬透性提高而增加了馬氏體形成的傾向，另一方面卻使40CrNiMo鋼的Ms點下降而減少了馬氏體形成的傾向，因此在本文試驗條件下，Ni含量增加對殘留奧氏體含量沒有明顯影響。

圖7 不同Ni含量淬火態(tài)40CrNiMo鋼的X射線衍射圖譜Fig.7 X-ray diffraction patterns of the quenched 40CrNiMo steel with different Ni contents(a) α-Fe； (b) γ-Fe

兩種試驗材料的衍射峰如圖7所示，Ni含量增加對γ-Fe峰的2θ角無明顯影響，但會使α-Fe的定峰2θ角從156.5°改變至155.1°，即向偏離α-Fe理論2θ角的方向變化，表明Ni含量增加會使α-Fe的晶格畸變增大。

2.3 Ni含量對硬度的影響

兩種試驗材料在不同溫度回火后的硬度如圖8所示，高Ni含量40CrNiMo鋼在各個回火溫度下的硬度均比低Ni含量40CrNiMo鋼高5～10 HV，表明Ni含量增加可以略微提高40CrNiMo鋼淬回火后硬度，但提高幅度較小，實際應(yīng)用中一般不會影響鋼的加工性能。

圖8 不同回火溫度下40CrNiMo鋼的硬度Fig.8 Hardness of the 40CrNiMo steel tempered at different temperatures

2.4 Ni含量對抗拉強度的影響

兩種試驗材料在不同溫度回火后的抗拉強度如圖9 所示，高Ni含量40CrNiMo鋼在各個回火溫度下的抗拉強度均高于低Ni含量40CrNiMo鋼，其中450 ℃回火條件下，兩種試驗材料的抗拉強度差距較大，為78 MPa，表明Ni含量增加可以提高40CrNiMo鋼的淬回火后的抗拉強度，而提高幅度在450 ℃回火時較大，回火溫度升高至550 ℃后提高幅度減小。

圖9 不同回火溫度下40CrNiMo鋼的抗拉強度Fig.9 Tensile strength of the 40CrNiMo steel tempered at different temperatures

40CrNiMo鋼回火后的主要組織為回火屈氏體或回火索氏體，其主要構(gòu)成相為α-Fe和滲碳體，因此Ni含量增加會使α-Fe的晶格畸變增大，導(dǎo)致的α-Fe固溶強化效果增強，使40CrNiMo鋼的抗拉強度提高，但隨著回火溫度升高，滲碳體逐漸聚集長大，α-Fe固溶強化效果的主導(dǎo)作用下降，因此抗拉強度的提高幅度下降。

2.5 Ni含量對沖擊性能的影響

在450、550 ℃回火條件下，兩種試驗材料的沖擊吸收能量如圖10所示，高Ni含量40CrNiMo鋼在兩個回火溫度下的沖擊吸收能量均比低Ni含量40CrNiMo鋼低約50%。在殘留奧氏體含量不變的條件下，Ni含量的增加反而使40CrNiMo鋼的沖擊性能顯著降低，因此推測在40CrNiMo鋼的化學(xué)成分范圍內(nèi)，Ni的固溶強化機制發(fā)生了變化。

圖10 不同溫度回火后40CrNiMo鋼的沖擊吸收能量Fig.10 Impact absorbed energy of the 40CrNiMo steel tempered at different temperatures

3 結(jié)論

1) Ni含量增加對40CrNiMo鋼的淬回火后顯微組織和殘留奧氏體含量均無明顯影響，但會使α-Fe 的定峰2θ角從156.5°改變至155.1°，即向偏離α-Fe理論2θ角的方向變化，導(dǎo)致α-Fe的晶格畸變增大，固溶強化效果增強。

2) Ni含量增加，固溶強化效果增強，會使40CrNiMo鋼的硬度和室溫抗拉強度提高，其中硬度在各個回火溫度下均提高5～10 HV，而抗拉強度在450 ℃回火條件下的提高幅度達到78 MPa，隨著回火溫度升高，滲碳體逐漸聚集長大，導(dǎo)致固溶強化效果的主導(dǎo)作用下降，從而使抗拉強度的提高幅度下降。

3) 殘留奧氏體含量不變的條件下，Ni含量增加會降低40CrNiMo鋼的沖擊性能，使450、550 ℃回火條件下的沖擊吸收能量均下降約50%。