鈮元素對(duì)中碳鋼組織及性能的影響

孫 妍，董唐順，唐雪峰

（1.華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地，河北 唐山 063210；2. 華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210）

1 鈮元素對(duì)奧氏體晶粒的影響

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)45#鋼作為中碳鋼試樣，分別標(biāo)記為試樣1和試樣2，其中試樣1的鋼中不含鈮元素，而試樣2含有一定量的鈮元素，其他成分保持相同。實(shí)驗(yàn)前在900℃下對(duì)兩個(gè)試樣進(jìn)行1h的奧氏體化處理，然后加工為標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣10mm和標(biāo)準(zhǔn)V型缺口沖擊鋼樣10mm×10mm×55mm[1]。通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試機(jī)分別對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸和沖擊實(shí)驗(yàn)[2]。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

通過(guò)觀察900攝氏度下淬火后試樣中奧氏體晶粒的尺寸大小，可以發(fā)現(xiàn)試樣2的晶粒尺寸比試樣1的晶粒尺寸小，即含有鈮元素的45#鋼與不含鈮元素的45#鋼相比，晶粒更細(xì)小。其尺寸分別為33.5μm和13.5μm。兩種試樣奧氏體晶粒的長(zhǎng)大行為基本相同，只是在粗化溫度以上試樣2的奧氏體晶粒更加細(xì)小。這說(shuō)明在粗化溫度以下奧氏體晶粒并不發(fā)生長(zhǎng)大過(guò)程，而試樣2中形成的Nb(C,N)細(xì)小顆粒也是主要對(duì)粗化溫度以上的奧氏體晶粒有阻礙作用，限制其長(zhǎng)大，因此含有鈮元素的試樣奧氏體晶粒的長(zhǎng)大傾向小，粗化溫度更高。

兩個(gè)試樣的室溫拉伸和沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

表1 試樣鋼的機(jī)械性能指標(biāo)

由上表可以直觀地看出試樣2與試樣1相比，屈服強(qiáng)度與沖擊功的值均有顯著的提高，說(shuō)明鈮元素可以提高45#的屈服強(qiáng)度和沖擊功。

2 鈮元素對(duì)顯微硬度的影響

2.1 硬度實(shí)驗(yàn)

采用顯微維氏硬度法對(duì)不含鈮元素的45#鋼試樣1和含有一定量鈮元素的45#鋼試樣2進(jìn)行硬度的測(cè)定。顯微維氏硬度是維氏硬度的一種。按照試驗(yàn)力的大小，維氏硬度可以分為維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示不含鈮元素的45#鋼試樣1的表面洛氏硬度值為42HV，而含有一定量鈮元素的45#鋼試樣2的表面洛氏硬度值為55HV。由霍爾－佩琪公式可知，硬度與珠光體片層間距成反比。添加鈮之后，珠光體的片層間距減小，所以硬度得到了提升。

3 鈮元素對(duì)耐磨性的影響

在金屬零件的使用過(guò)程中，其表面會(huì)不可避免地發(fā)生較為嚴(yán)重的磨損，影響表面質(zhì)量與使用壽命，因此研究鈮元素對(duì)耐磨性的影響有十分重要的實(shí)際意義。

對(duì)于不含鈮元素的45#鋼試樣1和含有一定量鈮元素的45#鋼試樣2，在其他條件均相同時(shí)進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，然后在SEM下觀察兩個(gè)試樣的磨損形貌，如圖1所示。

圖1 試樣鋼表面磨損形貌

4 鈮元素對(duì)耐蝕性的影響

4.1 失重法測(cè)定腐蝕速度

目前測(cè)定腐蝕速度的方法有很多，比如重量法、電流密度法、極化曲線法等。本文采用重量法對(duì)試樣1、2的腐蝕速度進(jìn)行測(cè)定。所謂重量法就是金屬材料在一定的條件下（一定的溫度、壓力、介質(zhì)濃度等）經(jīng)腐蝕介質(zhì)一定時(shí)間的作用后，計(jì)算出腐蝕前后試樣的重量變化進(jìn)而確定腐蝕速度的一種方法。

對(duì)于均勻腐蝕來(lái)說(shuō)，根據(jù)腐蝕產(chǎn)物容易清除或完全牢固地粘著在試樣表面的情況，可分別采用單位時(shí)間、單位面積上金屬腐蝕后的重量損失或重量增加來(lái)表示腐蝕速度如下式。

上式中：

K——腐蝕速度，g/m2·h（為負(fù)數(shù)時(shí)表明腐蝕產(chǎn)物未清除）

S——試樣受腐蝕區(qū)域的面積，m2

t——試樣腐蝕時(shí)間，h

W0——腐蝕前試樣的重量，g

W——腐蝕后試樣的重量，g（清除腐蝕產(chǎn)物后）

重量法是一種經(jīng)典的測(cè)定腐蝕速度的方法，該方法至今仍被廣泛使用。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)相同的時(shí)間10天后，停止對(duì)兩個(gè)試樣的腐蝕，稱(chēng)量清除腐蝕產(chǎn)物之后的試樣重量，與腐蝕之前試樣的重量相比較，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：試樣1的失重量為789毫克，試樣2的失重量為412毫克。根據(jù)公式(1)計(jì)算出兩個(gè)試樣的腐蝕率分別為1.97g/mm2·d和1.14g/mm2·d。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，試樣1、試樣2腐蝕率的變化規(guī)律大體相同，隨著時(shí)間的增加，腐蝕率隨之下降。

5 結(jié)論

（1）鈮元素的加入使淬火后的中碳鋼奧氏體晶粒得到細(xì)化，并提高了粗化溫度；與不含鈮元素的鋼樣相比，屈服強(qiáng)度和沖擊功也明顯提高。

（2）加入鈮元素的中碳鋼與不含鈮元素的中碳鋼相比，具有更高的顯微硬度。

（3）鈮元素可在一定程度上改善中碳鋼的耐磨性，主要表現(xiàn)在減少表面犁溝的數(shù)量，減輕犁溝深度。

（4）適量的鈮元素可以降低中碳鋼的腐蝕率，提高其耐腐蝕性能。