以V代Ni對40CrNiMo鋼微觀組織及低溫韌性的影響

關(guān)鍵詞：V微合金化；回火溫度；-40℃沖擊吸收功；組織；碳化物

0 引言

40CrNiMo鋼經(jīng)淬火、回火熱處理后具有良好的韌性、優(yōu)秀的成型性以及可靠的疲勞壽命，常用于風(fēng)電緊固件的制造（10.9、12.9級）。目前的研究證實(shí)，Ni元素加入鋼材中主要是通過細(xì)化組織、促進(jìn)馬氏體的回復(fù)、抑制滲碳體的析出來提高鋼材的韌性。但Ni價(jià)格較高，使得40CrNiMo鋼較同類鋼價(jià)格偏高，難以滿足風(fēng)電行業(yè)低成本化的需要，所以開發(fā)一種低Ni含量兼具良好低溫韌性的鋼種十分必要。

V是一種強(qiáng)碳化物形成元素，可以改變碳化物的析出行為，可在組織中形成微小的MC型碳化物。TANGUY B等研究發(fā)現(xiàn)，相較于M3C型碳化物，MC型碳化物與基體結(jié)合處的應(yīng)力集中更低，提高了裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力，從而可改善鋼材的韌性。此外，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%～0.15%V元素的添加即可產(chǎn)生較好的析出強(qiáng)化效果，并提高鋼材回火抗力，同強(qiáng)度下可以提高回火溫度以改善韌性。因此，V元素的添加結(jié)合熱處理工藝調(diào)整可改善鋼材的低溫韌性，且V加入量較少、價(jià)格較低。本研究通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08%的V微合金化開發(fā)了1種低成本CrNiMo鋼，對比研究了其與40CrNiMo鋼在10.9級強(qiáng)度下的低溫韌性，并研究了兩者基體組織、碳化物的差異。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2種試驗(yàn)用鋼經(jīng)電弧爐冶煉、爐外精煉、真空脫氣、連鑄后熱軋為直徑73 mm的棒材，成分見表1。

熱處理工藝采用淬火+高溫回火處理，淬火溫度為870℃，保溫2 h后油淬；開發(fā)鋼與40CrNiMo鋼對應(yīng)10.9級強(qiáng)度的回火溫度分別為640、580℃，保溫2 h后水冷。熱處理后樣品加工成Charpy-V型缺口沖擊試樣（10 mm×10 mm×55 mm）和棒狀拉伸試樣（平行段直徑6 mm，標(biāo)距長度30 mm）。-40℃沖擊試驗(yàn)在Instron Mpx 750儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸試驗(yàn)在Instron 300 k N試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

通過掃描電鏡（SEM）觀察試驗(yàn)鋼的微觀組織及沖擊斷口形貌。微觀組織觀察試樣經(jīng)機(jī)械研磨、拋光后，用4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液腐蝕，試驗(yàn)鋼原奧氏體晶粒使用苦味酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕。電子背散射衍射（EBSD）樣品經(jīng)機(jī)械研磨、拋光、震動(dòng)拋光后，在Apero 2s場發(fā)射掃描電鏡（SEM）及其搭載的EBSD探頭上進(jìn)行試驗(yàn)，步長0.1μm。透射電鏡（TEM）所用的樣品經(jīng)機(jī)械研磨至50μm再通過電解雙噴制得，雙噴液為7%高氯酸酒精溶液，電壓在40 V左右并控制溫度約-40℃。通過搭載CuKα靶的Smartlab X射線衍射儀測得基體相衍射強(qiáng)度（測試的掃描速度和角度分別為2（°）/min和40°～100°），后續(xù)通過Williamson-Hall法計(jì)算位錯(cuò)密度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)鋼的基體組織

圖1所示為2種試驗(yàn)鋼的原奧氏體晶粒以及淬火、回火后微觀組織，淬火態(tài)組為板條馬氏體，1個(gè)原奧氏體晶粒內(nèi)存在多個(gè)取向相近的馬氏體板條束?；鼗鸷蠡w中析出了大量的碳化物，開發(fā)鋼組織中的碳化物球化程度較高，而40CrNiMo鋼中除球狀碳化物外，仍存在條狀的碳化物。通過截線法統(tǒng)計(jì)了2種試驗(yàn)鋼的原奧氏體晶粒尺寸，統(tǒng)計(jì)面積為100000 μm2。開發(fā)鋼的原奧氏體晶粒尺寸為（20.6±7.1）μm，40CrNiMo鋼的原奧氏體晶粒尺寸為（14.5±5.3）μm。雖然V元素、Ni元素均具有細(xì)化晶粒的作用，但兩者機(jī)制不同，V是通過參與形成MC型碳化物，對晶界起到釘扎作用而抑制晶粒長大。圖2所示為開發(fā)鋼經(jīng)870℃淬火后組織的TEM照片，在所選視場中，僅觀察到1個(gè)未溶的MC碳化物，大部分VC發(fā)生溶解，故V抑制晶粒長大的作用減弱；Ni是一種奧氏體形成元素，可以擴(kuò)大奧氏體區(qū)，降低加熱時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度（AC1）及奧氏體轉(zhuǎn)變終了溫度（AC3），從而降低奧氏體晶粒的長大速度，起到細(xì)化晶粒的作用，故40CrNiMo鋼的晶粒更細(xì)小。

圖3所示為2種試驗(yàn)鋼熱處理后的組織取向及大小角度晶界分布情況，小角度晶界（LAGB）范圍為2°～15°；大角度晶界（HAGB）范圍大于15°。根據(jù)圖3（a）和（c）可知，開發(fā)鋼的基體部分保持著馬氏體的板條狀結(jié)構(gòu)，而40CrNiMo鋼組織中的馬氏體塊較粗、較短，這可能與Ni具有變形鐵素體的作用有關(guān)。從圖3（b）和（d）所示的晶界分布可知，開發(fā)鋼的大角度晶界比例為72.3%，而40CrNiMo鋼中僅為60.3%，這是因?yàn)殚_發(fā)鋼的回火溫度更高，發(fā)生了更充分的回復(fù)，促進(jìn)了小角度晶界向大角度晶界的遷移。但從圖3（e）所示的晶界密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，40CrNiMo鋼的大角度晶界的密度（通過總長度/統(tǒng)計(jì)面積計(jì)算）更大，為2.92/μm，而開發(fā)鋼的僅為2.22/μm。這是由于40CrNiMo鋼的原奧氏體晶粒尺寸更細(xì)小，在相同的面積內(nèi)會存在更多的晶粒，從而提高了晶界的密度。

圖4所示為2種試驗(yàn)鋼的基體衍射峰及位錯(cuò)密度，開發(fā)鋼的位錯(cuò)密度較40CrNiMo鋼有較大的下降，這也表明同強(qiáng)度下（10.9級），開發(fā)鋼得到了更加充分的回復(fù)。

2.2 試驗(yàn)鋼的碳化物

圖5所示為2種試驗(yàn)鋼回火后組織中碳化物的TEM照片。由于V的加入，開發(fā)鋼組織中出現(xiàn)了MC型碳化物，MC型碳化物尺寸較小（小于20 nm）且成球形[圖5（a）]。此外，開發(fā)鋼中還存在著較多M2C、M3C型碳化物[圖5（b）]，較多M2C碳化物與高的回火溫度促進(jìn)Mo的擴(kuò)散有關(guān)。40CrNiMo鋼中碳化物以M3C型為主，還存在少量M2C型碳化物[圖5（c）和（d）]。

等強(qiáng)度下，開發(fā)鋼對應(yīng)的回火溫度較40CrNiMo鋼更高，高的回火溫度促進(jìn)了碳化物的球化。因此，開發(fā)鋼組織中的碳化物全部為球狀或橢球狀，如圖5（a）和（b）所示，而40CrNiMo鋼組織中仍存在較多長條形的M3C型碳化物。

通過對TEM圖片中碳化物尺寸測量發(fā)現(xiàn)，開發(fā)鋼中的球形MC碳化物最大直徑不超過20 nm，橢球狀的M2C型碳化物的最大尺寸小于75 nm，球化的M3C型碳化物最大直徑為150 nm左右；

40CrNiMo鋼中橢球狀M2C型碳化物最大直徑在100 nm左右；長條狀M3C型碳化物長度在500 nm以上。圖6所示為2種試驗(yàn)鋼中所有碳化物最大尺寸的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)面積為300 μm2。由圖可見，開發(fā)鋼中存在部分尺寸小于20 nm的碳化物，而40CrNiMo鋼中不存在尺寸小于20 nm的碳化物，且開發(fā)鋼中碳化物尺寸在20～100 nm及大于100 nm區(qū)間的比例也明顯低于40CrNiMo鋼，表明開發(fā)鋼中碳化物整體較小，在高的回火溫度下也未發(fā)生明顯粗化。根據(jù)不同種類碳化物的尺寸特點(diǎn)可以認(rèn)為尺寸小于20 nm的碳化物為MC型，尺寸大于100 nm的碳化物為M3C型。開發(fā)鋼中M3C碳化物比例更低，這因?yàn)镸C、M2C型碳化物會優(yōu)于M3C析出，消耗了基體中的碳，降低了M3C的析出量。

2.3 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

2種試驗(yàn)鋼經(jīng)熱處理后的力學(xué)性能見表2，由表可見，兩者的抗拉強(qiáng)度相近，均在1100 MPa左右，但開發(fā)鋼的-40℃沖擊吸收功更高，達(dá)86 J，超過40CrNiMo鋼的74 J。開發(fā)鋼中由于V的添加提高了回火抗力，在更高的回火溫度下達(dá)到了與40CrNiMo鋼相同的強(qiáng)度。高的回火溫度使得開發(fā)鋼的基體發(fā)生了更加充分的回復(fù)同時(shí)促進(jìn)了組織中碳化物的球化，從而獲得了更高的沖擊吸收功。

圖7所示為2種試驗(yàn)鋼示波沖擊的載荷-位移曲線，橫坐標(biāo)S為位移，縱坐標(biāo)F為載荷。該曲線上存在4個(gè)特征載荷，分別為屈服載荷（Fgy）、最大載荷（Fm）、裂紋擴(kuò)展起始載荷（Fiu）以及終止載荷（Fa）。最大載荷之前的曲線積分可以認(rèn)為是裂紋萌生功（Wi），最大載荷之后的曲線積分可以認(rèn)為是裂紋擴(kuò)展功（Wp）。相比40CrNiMo鋼，開發(fā)鋼具有更大的Fgy、Fm、Fiu，同時(shí)裂紋擴(kuò)展功提高10.5 J，裂紋萌生功差異不大。

圖8所示為試驗(yàn)鋼沖擊斷口的宏觀與微觀形貌，在宏觀斷口上均無明顯的放射區(qū)存在，表明該強(qiáng)度等級下，2種試驗(yàn)鋼均為韌性斷裂。但在開發(fā)鋼沖擊斷口的邊緣處觀察到更為明顯的塑性變形[圖8（a）]，這印證了其低溫沖擊功更高。通過微觀照片可以看出，2種試驗(yàn)鋼的斷裂模式均為準(zhǔn)解理斷裂，微觀形貌由韌窩+解理平面組成[圖8（b）和（e）]。不同的是，開發(fā)鋼的韌窩更小且較均勻，40CrNiMo鋼的韌窩更大，且在大韌窩附近分布著小韌窩[圖8（c）和（f）]。

2.4 討論

從基體方面來看，40CrNiMo鋼具有較為細(xì)小的晶粒與較高的大角度晶界密度。晶粒細(xì)小可以使位錯(cuò)在更多的晶粒中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，使塑形變形更均勻，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而提高低溫韌性；大角度晶界可以更好阻礙裂紋擴(kuò)展，從而提高鋼的低溫韌性，兩者使得40CrNiMo鋼具有較好的低溫韌性。雖然開發(fā)鋼的晶粒尺寸較大，但其回火溫度更高，獲得了更加充分的回復(fù)，以此改善了韌性。

碳化物方面，40CrNiMo鋼中的條狀M3C作為裂紋擴(kuò)展的有利位置但對低溫韌性不利，而開發(fā)鋼中出現(xiàn)了MC型碳化物，其尺寸在20 nm以下，有利于減輕應(yīng)力集中，從而提高低溫韌性。開發(fā)鋼組織中M3C型碳化物的比例更低，降低了M3C型碳化物可作為裂紋擴(kuò)展的有利位置而損害低溫韌性的風(fēng)險(xiǎn)。此外，開發(fā)鋼組織中的碳化物均為球狀或橢球狀且較為細(xì)小，降低了應(yīng)力集中程度，提高了裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力，所以從示波曲線上可以看到開發(fā)鋼裂紋擴(kuò)展功較40CrNiMo鋼有所提高（圖7）。

3 結(jié)論

1）同強(qiáng)度下，開發(fā)鋼與40CrNiMo鋼的原奧氏體晶粒尺寸分別為（20.6±7.1）、（14.5±5.3）μm，由于40CrNiMo鋼的原奧氏體晶粒更小，大角度晶界密度較開發(fā)鋼提高0.7/μm。開發(fā)鋼通過V的加入提高了回火抗力，高的回火溫度使得基體得到了更加充分的回復(fù)，獲得了更高的大角度晶界密度、較低的位錯(cuò)密度，提高了基體塑性變形能力，從而改善了基體的韌性。

2）通過V的添加使開發(fā)鋼組織內(nèi)析出了MC型碳化物，并降低了M3C型碳化物的比例，高的回火溫度又使得組織中的M3C型碳化物發(fā)生球化且未明顯粗化，而40CrNiMo鋼中大量存在的條形M3C碳化物不利于低溫韌性的提高。另外，2種試驗(yàn)鋼中還存在部分M2C型碳化物。

3）相近的抗拉強(qiáng)度下（10.9級），開發(fā)鋼的-40℃沖擊吸收功為86 J，超過40CrNiMo鋼的74 J，主要是由于裂紋擴(kuò)展功的提高。該強(qiáng)度下，開發(fā)鋼對應(yīng)的回火溫度為640℃，40CrNiMo鋼對應(yīng)的回火溫度為580℃。

本文摘自《鋼鐵》 2024 年第12期