基于30CrMnSiNi2A優(yōu)化材料的相變規(guī)律及力學(xué)性能研究

龐慶海 何春靜 郎慶斌

(1．洛陽(yáng)中重鑄鍛有限責(zé)任公司，河南471039；2．河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471039)

30CrMnSiNi2A鋼是我國(guó)廣泛使用的一種超高強(qiáng)度鋼，是一種綜合性能優(yōu)良的航空結(jié)構(gòu)材料。國(guó)內(nèi)對(duì)該材料已經(jīng)開展了較為廣泛的研究，袁書強(qiáng)等[1]研究了Ni含量約為1.8%的30CrMnSiNi2A鋼的力學(xué)性能，李志宏等[2]研究了等溫時(shí)間對(duì)30CrMnSiNi2A鋼力學(xué)性能的影響。目前高強(qiáng)度鋼在低溫環(huán)境應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)材料提出了較高的低溫韌性要求，因此有必要優(yōu)化材料成分，研究其低溫韌性。

以30CrMnSiNi2A鋼為基礎(chǔ)，通過(guò)提高Ni元素含量，添加Mo和V元素，提高鋼的強(qiáng)度、韌性和塑性，增強(qiáng)淬透性，設(shè)計(jì)了新的試驗(yàn)材料。通過(guò)開展試驗(yàn)材料的相變溫度測(cè)試試驗(yàn)，掌握相變規(guī)律，繪制了材料的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。同時(shí)研究了材料的低溫韌性，對(duì)于該材料在低溫環(huán)境的應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及方案

由真空感應(yīng)熔煉爐制備約50 kg的試驗(yàn)鋼錠，經(jīng)鍛造變形及鍛后熱處理，制成鍛坯試塊，材料化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of test material(mass fraction,%)

利用Formstor-FⅡ全自動(dòng)熱膨脹相變儀測(cè)試相變溫度，試樣規(guī)格為?3 mm×10 mm。試樣加熱速度均為0.1℃s，奧氏體化溫度950℃，保溫時(shí)間20 min，冷卻速度分別為5℃s、3℃s、2℃s、1℃s、0.5℃s、0.2℃s、0.1℃s、0.05℃s、0.02℃s、0.013℃s、0.01℃s，冷卻速度包含研究鋼種實(shí)際冷卻速度范圍。開展30CrMnSiNi2MoV鋼的熱處理試驗(yàn)，試樣規(guī)格25 mm×25 mm×180 mm，奧氏體化加熱溫度880℃，保溫2 h后油冷淬火。試樣回火溫度220℃，保溫時(shí)間4 h，回火完成后空冷處理。利用光學(xué)顯微鏡觀察相變?cè)嚇雍蜔崽幚碓嚇拥慕鹣嘟M織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相變溫度分析

可以看出，試驗(yàn)材料的Ac1為729℃，Ac3為810℃，Ms為310℃。典型相變?cè)嚇拥慕鹣嘟M織如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)材料連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線Figure 1 Continuous cooling transformation curve of test material

圖2 典型相變?cè)嚇拥慕鹣嘟M織Figure 2 Metallographic structure oftypical phase transformation samples

試驗(yàn)材料中由于Mn、Ni等元素的存在，推遲了珠光體的轉(zhuǎn)變和形成[3]，能在較寬的冷卻速度范圍內(nèi)獲得完全的貝氏體或馬氏體組織，具有較好的熱處理特性，適合于制作厚截面的鑄鍛件產(chǎn)品。

2.2 低溫韌性研究

低合金高強(qiáng)度鋼一般熱處理制度是淬火后低溫回火，且30CrMnSiNi2A鋼在200～300℃之間有一個(gè)較寬的回火溫度區(qū)可保持力學(xué)性能的穩(wěn)定[4]，為此設(shè)計(jì)了試驗(yàn)材料回火溫度為220℃的熱處理試驗(yàn)，并開展低溫韌性測(cè)試。

表2為試驗(yàn)材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，試樣屈服強(qiáng)度為1384 MPa，抗拉強(qiáng)度為1626 MPa，屈強(qiáng)比為0.85。

性能試樣的金相組織如圖3所示。試樣依然保持淬火馬氏體的板條狀形態(tài)，屬于回火馬氏體組織。對(duì)于高強(qiáng)度鋼來(lái)說(shuō)，這是一種比較理想的組織，可保證工件強(qiáng)度較高的同時(shí)，還有一定的韌性匹配。

表2 30CrMnSiNi2MoV鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of30CrMnSiNi2MoV steel

圖3 熱處理試樣的金相組織Figure 3 Metallographic structure of heat treated sample圖4 試樣不同溫度的沖擊吸收能量Figure 4 Impact absorbs energy of samplesat different temperatures

在20℃、-20℃、-40℃和-60℃溫度條件下測(cè)試材料的韌性指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯鲭S測(cè)試溫度降低，試驗(yàn)材料的沖擊吸收能量呈緩慢下降趨勢(shì)。在-60℃測(cè)試環(huán)境中，KU2為50.3 J，KV2為36.8 J，依然表現(xiàn)出較好的韌性。

3 結(jié)論

(1)基于30CrMnSiNi2A提高Ni含量，添加

Mo和V，優(yōu)化的試驗(yàn)材料具有較好的熱處理特性，當(dāng)冷速介于0.02℃s和5℃s之間時(shí)，可獲得完全的貝氏體或馬氏體組織。

(2)試驗(yàn)材料抗拉強(qiáng)度可達(dá)1626 MPa，且在低溫環(huán)境具有較好的沖擊韌性，材料在-60℃時(shí)，KU2可達(dá)50.3 J，KV2可達(dá)36.8 J。