14Cr17Ni2不锈钢冲击功的影响研究

材料14Cr17Ni2属于马氏体—铁素体型不锈钢，该合金具有良好的耐蚀性和较高的力学性能，对于氧化性的酸类和有机酸的水溶液都有良好的耐蚀性，是制造耐蚀承载关键结构部件及紧固部件的常用材料。由于该类部件用于承受拉伸、剪切和冲击的环境中，材料除需要满足常规力学性能外，还应有良好的冲击韧性。但热加工工艺较复杂，在历年生产过程中，常出现力学性能不合格的现象，据统计主要表现在冲击功上，严重影响了生产成本及交货期，造成了许多不必要的损失。本文通过试验研究，证明了14Cr17Ni2具有明显的中温回火脆性。人们很早就发现了回火脆性现象，第一次世界大战时发现了枪炮钢变脆的现象并称之为“克虏伯(Krupp)病”。化学成分的微小波动显著影响钢的组织与性能，尤其是碳、铬含量的变化对冲击功影响较大，所以，实际使用中，应根据应用条件和对其各方面的要求，合理控制调整成分。

本文对11炉不同化学成分的14Cr17Ni2合金锻棒采用相同的热处理制度处理后，进行U形缺口试样的夏比冲击试验，对比分析不同化学成分对于冲击功的影响；并对其中1炉锻棒采用不同的回火温度进行处理后，进行U形缺口试样的夏比冲击试验，对比不同回火温度对于冲击功的影响。

试验材料与方法

采用11炉直径为

90mm的14Cr17Ni2合金锻棒，其化学成分见表1。为了研究14Cr17Ni2回火温度对冲击功的影响，首先对10号锻棒进行990℃/1.5h/油冷，油冷淬火后，采用300℃、380℃、400℃、450℃、520℃、550℃、600℃和680℃保温4h/水冷，进行回火；为了研究14Cr17Ni2化学成分对冲击功的影响，对11炉锻棒在990℃/1.5h/油冷的条件下进行淬火后，分别采用300℃和520℃进行回火。

按照GB/T 229-2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准要求，采用试样大小为55mm×10mm×10mm，缺口形状为U形缺口，完成纵向室温冲击试验。

金相组织采用奥林巴斯GX71金相显微镜进行观察，腐蚀剂为CuCl

(5g)+HCl(100ml)+乙醇(100ml)。

试验结果分析

回火温度对14Cr17Ni2冲击功的影响

验证标准偏差相对稳定，具有统计意义。2004年QSAR国际会议正式形成经济合作与发展组织（英文简称OECD）规则，明确必须使用外部验证集（即测试集）来评价模型的预测能力。如果样本量足够大，也可以从105个样本中随机取8个样本作为测试集，97个样本作为训练集。本案例执行该规范。

14Cr17Ni2钢属于马氏体—铁素体型不锈钢，在淬火状态下的组织为马氏体+δ—铁素体+残余奥氏体。在回火过程中，自马氏体及δ—铁素体中析出M

C

型碳化物，并聚集于晶界上，马氏体分解为回火索氏体。

14Cr17Ni2淬火后的组织为板条马氏体+铁素体，经回火后，马氏体发生分解，析出碳化物，而铁素体没有变化。200℃～300℃回火时，基体组织中板条内和板条间的碳化物析出量逐渐增多，但仍呈细小弥散分布，所以冲击功较高。在350℃回火时，晶界开始有少量碳化物析出，而当400℃～550℃回火时，板条间和晶界上的碳化物析出量明显增多，并且以高弥散度沿晶界和板条分布，晶界上的碳化物析出大大降低了钢的冲击功，并导致该钢在此时出现明显的脆性倾向，沿晶断裂。当回火温度提高到600℃以上时，碳化物部分溶解，从而使脆性消失。

图1为不同回火温度下14Cr17Ni2的冲击功，经对比不同回火温度与冲击功的关系发现，在300℃～450℃回火范围内，该材料冲击功从100J降低至19J，出现了明显的下降；而在300℃～680℃回火范围内冲击功整体出现先下降再提升的趋势，680℃回火时，冲击功回升到78J，且在450℃左右出现冲击功最低点19J。说明该材料存在明显的回火脆性，回火脆性温度范围为350℃～550℃，回火温度对材料的冲击功影响较大。

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经对比不同回火温度下的断口宏观形貌(图2)和不同回火温度下的断口形貌(图3),520℃回火的断口宏观形貌呈典型的沿晶脆性断裂，在断口表面上有许多亮面，每个亮面都是一个晶粒的晶界。而600℃回火的断口宏观形貌为韧性断裂形貌，属于穿晶断裂和河流花样。600℃回火的断口形貌有明显的韧窝和剪切唇。

14Cr17Ni2中主要的化学成分包括C、Cr、Ni、Si、Mn、P、S。元素Mn、Si在14Cr17Ni2中不属于主要合金元素，在化学成分范围内，对钢的组织影响不大，因此钢的组织与性能主要受C 、Cr和Ni这3种元素的影响。Ni本身对回火脆性影响不明显，既然是碳化铬影响锻件的冲击功，原材料中C和Cr的含量会直接影响锻件冲击功。

图5为不同C、Cr含量的14Cr17Ni2的冲击功，300℃冲击功和520℃冲击功趋势几乎一致，验证了原材料对该材料冲击功的影响占主要原因的结论。

图4为不同冲击功对应的金相显微组织。从图4可得，冲击功为52J和35J的金相显微组织，晶粒度均为5级，二者最大的差别在于，后者在晶界上析出了大量的碳化物颗粒。晶界上的碳化物析出大大降低了钢的冲击功，并导致该钢在此时出现明显的脆性倾向，沿晶断裂。

对净化工艺进行优化，将除铜镉工艺由一段净化改为一段两次除铜镉净化，即一段一次净化除铜、预除镉，一段二次净化进一步除铜镉，达到锌粉多点加入，渣与液快速分离的目的。优化后净化工艺流程见图2。

由图5可知，随着Cr含量的增加，14Cr17Ni2的冲击功总体呈下降趋势，而当Cr含量相差不大时，随着C含量的升高，冲击功下降。

结论

(1)14Cr17Ni2在300℃～680℃回火范围内，该材料出现了冲击功先下降再提升的趋势，在450℃左右出现冲击功最低点，且在350℃～550℃范围内冲击值整体偏低，低于39J(GJB 2294A-2014要求)。说明该材料存在明显的回火脆性，回火温度对材料的冲击功影响较大，350℃～550℃为该材料的回火脆性区间温度。

故天秉阳，垂日星；地秉阴，窍于山川，播五行于四时，和而后月生也。是以三五而盈，三五而阙。五行之动，迭相竭也，五行、四时，十二月还相为本也。［15］1423

(2)原材料化学成分的波动对14Cr17Ni2材料的冲击功影响较大，随着元素C、Cr含量的增加，材料的冲击功呈总体下降趋势。

(3)14Cr17Ni2在350～540℃进行回火且对材料冲击功有要求时，应严格控制原材料中元素C、Cr的含量。