热处理工艺对16Mn钢锻件显微组织和力学性能的影响

俄 馨, 李 岗, 史 伟,3, 李志霞, 李金梅,3, 李雅新,3

(1.兰州兰石检测技术有限公司, 兰州 730314；2.传感及检测技术应用研究中心, 兰州 730314；3.甘肃省机械装备材料表征与安全评价工程实验室, 兰州 730314)

16Mn钢是最常见的压力容器锻造材料之一。在压力容器生产过程中，通过成分设计和冶炼、热处理等工艺参数调整可以控制材料的成分、组织和性能，最终达到提高材料综合性能的目的[1-3]。在日常检测中，由于影响因素较多，16Mn钢产品的力学性能检测结果容易出现异常，导致分析时间较长，进而影响产品的制造周期。目前，研究16Mn钢锻件的热处理制度的相关文献较多，而研究不同热处理工艺下16Mn钢锻件的力学性能和显微组织的相关报道较少。笔者采用热处理试验、拉伸试验、冲击试验和金相检验等方法，研究了不同热处理工艺下16Mn钢锻件的显微组织和力学性能，以期为16Mn钢的理论研究和实际生产提供参考。

1 试验材料与方法

试验用材料为16Mn钢锻件(供货态为正火)，其化学成分见表1。按照制定的热处理工艺(表2)，采用高温箱式电阻炉对16Mn钢锻件进行热处理，在室温下将样坯装于炉内，然后按设定的速率升到保温温度，保温一定时间。在正火处理时，分别采用水冷、喷淋及空冷等3种冷却方式。

表1 16Mn钢锻件的化学成分

表2 16Mn钢锻件的热处理工艺

采用CMT5305型微机控制电子万能试验机，对试样进行拉伸试验，试样规格为φ10 mm，每组设置3个平行试样，取平均值。采用ZBC2602N-3型夏比摆锤冲击试验机，对试样进行冲击试验，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，试验温度为-20 ℃，每组设置6个平行试样。采用THBS3000E型布氏硬度试验机，对试样进行硬度测试，加载力为7.355 kN，保载15 s。采用GX51型光学显微镜，对试样进行金相检验。采用JSM-IT300型扫描电镜(SEM)观察试样的冲击断口形貌。

2 试验结果

2.1 不同热处理工艺下16Mn钢锻件的力学性能

由表3可见：3-3号试样的抗拉强度、屈服强度、硬度，3-1号试样的抗拉强度以及4-3号试样的屈服强度均不满足NB/T 47008-2017《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》标准对16Mn钢锻件的技术要求，其他试样的力学性能均符合标准要求。

表3 不同试样的力学性能

由图1可见：在相同正火温度下，随着正火冷却速率的提高，试样的抗拉强度、屈服强度和硬度均呈现上升趋势，断后伸长率呈下降趋势，断面收缩率的变化不明显；-20 ℃冲击吸收功均高于标准值(不小于41 J)；16Mn钢锻件在920 ℃正火条件下得到的综合力学性能最优。

图1 不同正火冷却方式下16Mn钢锻件的力学性能随正火温度的变化

2.2 不同热处理工艺下16Mn钢锻件的显微组织

由图2可见：2-1号试样(920 ℃正火+水冷)的显微组织为均匀的贝氏体回火组织+少量铁素体；2-2号试样(920 ℃正火+喷淋)的显微组织为贝氏体回火组织+魏氏组织(铁素体型)；2-3号试样(920 ℃正火+空冷)的显微组织为块状铁素体+魏氏组织(铁素体型)+珠光体组织。

图2 在920 ℃正火+不同冷却方式条件下16Mn钢锻件的显微组织

2.3 不同热处理工艺下16Mn钢锻件的冲击断口形貌

由图3可见：2-1号试样(920 ℃正火+水冷)冲击断口有大量韧窝；2-2号试样(920 ℃正火+喷淋)和2-3号试样(920 ℃正火+空冷)冲击断口均为解理断口形貌。

图3 在920 ℃正火+不同冷却方式条件下16Mn钢锻件的冲击断口形貌

3 分析与讨论

在相同正火温度下，采用不同冷却方式冷却后，16Mn钢锻件的综合力学性能出现差异，从高到低对应的冷却方式依次为水冷、喷淋、空冷。采用空冷方式对16Mn钢锻件进行冷却时，由于奥氏体的过冷度较小，转变温度较高，元素的扩散能力较强，奥氏体具备发生扩散性相变的条件，所以在该条件下得到的显微组织为铁素体+珠光体。采用水冷方式进行冷却时，冷却速率较大，奥氏体中碳原子和铁原子的扩散速率较弱，形成半扩散、半切变型的中温转变产物，即贝氏体。贝氏体组织中，存在较多的位错，强度较高，且基体中分布有细小、弥散的碳化物[4-5]。因此，采用水冷得到的16Mn钢锻件的综合力学性能最优。

当正火温度较低时，微量元素的固溶和弥散进行得不充分，晶粒细化对于强度和硬度起主要作用。当正火温度较高时，晶界弱化，晶粒和弥散的碳化物均有长大倾向，此时细晶强化和弥散强化的作用不明显，主要是固溶强化对强度和硬度起主要作用。在920 ℃正火时，弥散强化、固溶强化、细晶强化达到最优的平衡状态，16Mn钢锻件在该温度下进行正火处理后得到的综合力学性能最优。

16Mn钢锻件在920 ℃正火+喷淋或空冷条件下得到的组织中均有魏氏组织(铁素体型)，故其冲击吸收功低于920 ℃正火+水冷条件下的冲击吸收功，但其冲击吸收功仍高于NB/T 47008-2017标准对16Mn钢锻件的技术要求，这是因为针片状魏氏组织内存在精细结构，即小块状亚晶粒，比等轴状铁素体具有较高的位错密度[6]。根据位错塞积理论，在位错运动受阻时，会产生塞积，形成应力集中，当应力集中程度大于材料的强度极限时会形成裂纹[7]。铁素体内部的亚晶粒导致其晶界明显增多，假设被阻塞的位错数一定，则铁素体界面的位错较少，这可能是在920 ℃正火+喷淋或空冷条件下16Mn钢锻件冲击性能较好的原因。

4 结论

(1) 在相同正火温度下，随着正火冷却速率的提高，16Mn钢锻件的抗拉强度、屈服强度和硬度均呈现上升趋势，断后伸长率呈下降趋势，断面收缩率的变化不明显，-20 ℃冲击吸收功均高于标准值(不小于41 J)。

(2) 在920 ℃正火条件下，弥散强化、固溶强化、细晶强化达到最优的平衡状态，得到的16Mn钢锻件的综合力学性能最优。

(3) 在相同正火温度下，采取水冷方式进行冷却后，16Mn钢锻件的综合力学性能优于其他两种冷却方式(喷淋、空冷)获得的锻件综合力学性能，其组织为贝氏体+少量铁素体。