D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.s1.002 ·北京铜铁学.陕学报 1982年增刊2 硅锰对硅锰钼钒超高强度钢 断口和显微组织的影响 全相教研室杨让爽尧储曹风豫 前 言 硅锰钼钒钢由于它反映了我国的资源特点，并具有良好的综合机械性能和工艺性能，而被 广泛地应用于我国许多工业部门。同时也引起了许多冶金和材料工作者的重视和研究兴趣。 在近二十多年来，各个部门研究、生产和使用的硅锰钼钒钢种，不下于十几个成分和牌号， 基本上是大同小异，所谓大同者，都是硅锰钼钒钢，所谓小异者，各元素的含量稍有变化。 究竟这种变化的根据是什么？合金元素或多或少的变化对钢的组织和性能会产生多大的影 响，缺乏系统的研究。这对如何根据不同的用途和使用条件更合理的设计成分、制订工艺是 一个严重的障碍。为了合理的利用资源，发展具有我国资源特点的低合金超高强度钢，系统 地研究成分，组织和性能之间的关系及硅锰铝钒钢强韧化的机理己是势在必行。 关于硅锰特别是硅在结构钢中的作用及对组织和机械性能的影响，国内外已有不少的研 究和报道1~12)。但多数都是把硅锰和铬镍钢联系在一起的。关于硅或锰在硅锰钼钒钢系中的 单独作用和复合影响怎样，资料甚少。为此，我们设计了各种不同硅锰含量和配比的硅锰钼钒 钢，研究硅锰对低合金超高强度钢强韧性的影响。研究结果表明13)：硅在硅锰钼钒钢中能有 效地提高钢的屈服强度和抗回火稳定性。如钢中不含锰，单独加人硅，则随钢中硅含量的增 加，一直到2%，其在淬火和低温回火状态下，冲击韧性和断裂韧性连续下降（见图1）~ 280℃时火 -Ma<0,1% -Mn-,% △-Mm-2.0%· 0.1 1.1. 14 1. 盖在量() 雪】，在不同锰含量的解中，硅变化对解在莽火和低温网火状态冲击细性的影响。 锰加入钢中对提高铜的谇透性有明显的效果，但其强化效果远小于硅，锰不仅不增加铜 -10-
北 京 钥 铁 学 院 学 报 年 增刊 硅锰对硅锰铝钒超高强度钢 断 和显微组织的影响 全 相 教 研 室 杨 让 裘 尧曲 ，风豫 前 一 之户 一 一 口 硅 锰铂钒钢 由于它 反映 了我 国的 资源特点 ， 并具 有良好的综 合机械性能 和工 艺 性能 ， 而被 广泛 地应用 于我 国许 多工业 部 门 。 同时也 引起 了许多冶金和材料工 作者 的重 视和研究兴趣 。 在近二十 多年来 ， 各 个部门研究 、 生 产和使 用的硅 锰铂 钒钢种 ， 不 下 于十几 个成分和 牌号 ， 墓 本上是 大 同小异 ， 所 谓 大同者 ， 都是硅锰铝钒钢 ， 所 谓 小异者 ， 各 元 素的 含量 稍 有 变化 。 究竟这 种变化 的 根据是什 么 合金 元 素或 多或 少的 变化对钢 的组织 和性能会产生 多 大 的 影 响 ， 缺 乏 系统的 研究 。 这对 如 何根据不 同的用 途和 使用 条件更合理 的设 计 成分 、 制订工艺是 一个严重 的障碍 。 为 了合理的利用 资源 ， 发展具 有我 国资源 特点的低 合金超 高强 度钢 ， 系统 地研究 成分 ， 组织和 性能之 间的关系及硅 锰铂钒钢强 韧化的机理 已是势在必行 。 关 于硅 锰特别是硅在结 构钢 中的 作用 及对组织和机械 性能的影响 ， 国 内外 已 有不 少的研 究和 报道 ‘ ’ 一 ‘ 。 但 多数都是把硅 锰和铬 镍钢 联 系在 一起的 。 关于硅或锰在硅 锰铂钒钢 系 中的 单独 作用 和 复合影响 怎 样 ， 资料 甚少 。 为此 ， 我们 设计 了各 种不 同硅 锰 含量和配 比的硅 锰铂 钒 钢 ， 研究硅 锰对低合金超 高强度钢 强 韧性的影响 。 研究结果表 明 ’ “ 硅在硅 锰铂钒钢 中能 有 效 地提 高钢 的屈 服强度和 抗 回 火 稳定 性 。 如钢 中不 含锰 ， 单独加人 硅 ， 则随钢 中硅 含量 的 增 加 ， 一直到 ， 其在淬 火和 低温 回 火状态 下 ， 冲击 韧性和 断裂 韧性连 续下降 见图 ℃ 问 火 一从 《 … 拓 。 卜，写 乙一 乞 钱心。二 二 。 』 佃 在 不 闷性含份伪翎中 ， 二 … 、 台 《笋 健交 化 对拐在井 火 和任祖目 火状奋神 击御性 曲 晌 锰加入 炯 中对提高炯的 淬透性 有 明显的效果 ， 但 其强化效果远 小 于硅 ， 锰不 仅不 增加铜 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．s1．002
的抗回火稳定性，而且还会降低硅钢的抗回火稳定性。当锰单独加入钢中时，对钢在祚火和 低温回火状态下的冲击韧性和断裂韧性也会明城的降低（见图2）。 20c自大， 1 -5i<0.16 -5i-1.3% △-5i-2.o ,h。 02 0 5.6 0 1. 1,2 1.4 1. 今盘() 图2，在硅含量不树的钢中，锰含量的变化对铜的存火和低温阿火状态冲击韧性的影响， 从图1和图2可以看出，只有当硅锰含量达到一定比例时，才能获得良好的综合机械性能 (如14●和30钢)。究竟硅锰在钢中的作用机制是什么？这种在性能上的表现与钢的内部组织 结构有何联系？为了弄清这些问题，并建立硅锰钢组织和性能之间的联系，我们进一步研究 了硅、锰对钢在淬火和低温回火状态的显微断口形貌和马氏体的组织结构的影响，旨在通过 对断口和组织结构的研究找出组织和机械性能之间的关系。掌握硅锰对强韧性影响的本质，为 进一步研究改进硅锰钼钒钢的综合机械性能，以及对硅锰钼钒钢的系列化提供有益的参考。 一、试验用钢及研究方法 试验用钢的化学成分，标准热处理工艺及其基本力学性能见表1。 所有试验用钢的治炼工艺均采用大气感应熔炼加电液重熔。冶炼容量为30公斤，电准锭 置量约25公斤。电渣锭在油炉中加热並在1200℃长时间保温，然后锻成不同规格的坯料，开 锻温度为1080℃一1100℃，终锻温度大于850℃，锻后缓冷。显微组织观亲是在PEM一400透 射电镜上进行的，样品均取自10×10×55的梅氏冲击试样。断口形貌观察是在S一600扫描电 镜上进行的，样品取自10×20×100mm断裂韧性试样。为了确定断口上引发裂纹形核的非 金属夹杂物的成分和类型，对夹杂物进行了能谱和探针分析，对沿晶断口表面附近的杂质元 素分布也进行了离子探针分析，离子探针的型号为IMA一2A。 二、试验结果及讨论 (一)硅锰对硅锰钼钒锅在淬火和低温回火状态下断口形貌的影响 根据扫描电镜断口形貌观察表明，当硅锰钥钒钢中不含硅或含少量硅(<0.4%)，而 一11-
的抗回 火稳定性 ， 而且还 会降低硅钢 的抗 回 火稳定 性 。 当锰 单独加 入钢 中时 ， 对钢 在淬 火和 低温 回 火 状 态 下的冲击 韧性和 断 裂 韧性也 会 明 显的降低 见图 。 长、暇目七令。 钻 含且 ‘ 图 在 硅 含 童 不 同 的 钢 中 ， 锰 含 的变 化对 钥 的 摔火 和 低 沮 回 火 状 态 冲 击 韧性 的形 响 从 图 和 图 可以看 出， 只 有 当硅 锰 含量 达到 一定 比例时 ， 才能获得 良好的综 合机械 性能 如 和 奋钢 。 究 竟硅 锰在钢 中的 作用机制是什 么 这 种在性能 上的表现 与钢 的 内部组织 结构 有何联 系 为 了弄清这些 问题 ， 并建立 硅锰钢组织 和 性能 之 间的联 系 ， 我 们 进 一步 研究 了硅 、 锰对钢 在淬 火和低温 回火状态 的显微断 口 形 貌和 马 氏体的组织结 构的影响 ， 旨在通 过 对断 口和组织 结 构 的研究找 出组织 和机械性 能 之 间的关 系 。 掌握 硅 锰对强 韧性 影响 的 本质 ， 为 进 一 步研究 改 进 硅 锰铂钒钢的综 合机械性能 ， 以 及对 硅锰 铂钒钢的系列化提 供 有益 的参考 。 一 、 试验用钢及研 究方法 试验 用钢 的 化学 成分 ， 标准 热处 理 工艺 及其基 本力学 性能 见表 。 所 有试验 用钢 的 冶炼 工艺 均采 用 大气感应熔炼加 电液重熔 。 冶炼容 量 为 公 斤 ， 电渣 锭 重 约巧 公 斤 。 电演锭 在油炉 中加 热业 在 ℃ 长时 间保 温 ， 然 后锻 成不 同规 格的坏 料 ， 开 锻沮度 为 。 ℃一 ℃ ， 终 锻温 度 大 于 ℃ ， 锻后缓 冷 。 显微组织 观察是 在 一 透 射电镜上进行 的 ， 样 品均取 自 的梅 氏冲 击试样 。 断 口 形貌观察是 在 一 扫描 电 镜 上进行的 ， 样 品取 自 断 裂韧 性试样 。 为 了确定 断 口 上 引发 裂纹 形 核 的 非 金 属夹杂物的成分和类 型 ， 对夹杂物进行 了能谱和探 针分 析 ， 对 沿 晶断 口 表 面附近 的杂质元 素分 布 椒 进行 了离子 探 针分 析 ， 离子探 针 的型 号 为 一 。 二 、 试验结果及讨论 一 硅 锰对硅 锰 铂钒钢在淬火和低温 回火状态 下断 口 形貌的影响 根据扫描 电镜 断 口 形貌观察表 明 ， 当硅 锰铂铣 钢 中不 含硅 或 含少 硅 ， 而 一 一
表1 炉 化学成分% 机 械 性 能 热处理工艺 002 ob ak K,C 号 Si Mn Mo kg kg kg-M 业g/mm mm" /mm2 % % /cma 3/2 70.362.020.040.540.17 970℃×15'水淬 280℃×2h 回火 180.1 200.25.713 5.0 185.6 130.350.401.990.610.14 920℃×15′ 油淬 280℃×2h 回火 152.4 181.410.353 4.6 110.8 140.351.491.940.550.11 920℃×15′油淬 280℃×2h回火 181.0 194.410.548.9 6.7 270 160.342.251.600.560.14 930℃×15′ 油淬 280℃×2h 回火 161.7 190.510.150.1 7.2 285.4 240.342.000.630.580.11 930℃×15′油淬 280℃×2h 回火 164.6 194.510.246.6 6.0 198.3 25*0.350.181.500.540.15 930℃×15′油淬 280℃×2h 回火 153.1 171.411.856.8 5.5 216 260.330.050.96.0.570.13 880℃×15′油淬 280℃×2h 回火 146.5 161.89.857.2 5.4 229.1 注，1.拉伸是二个试样的平均值。 2.冲击是三个试样的平均值。 3.断裂韧性是四个试样的平均值。 把锰的含量保持高水平(~2%)，此时的断口形貌从淬火到400℃以下的回火状态基本上都 是典型的沿晶断口，几乎毫无例外，如图3所示。看来，在正常淬火状态，锰能促进淬火钢 原奥氏体晶界的弱化和脆化，从而导致沿晶断裂。根据离子探针对断口表面及表面附近的成 分分析表明，在淬火和低温回火的锰钼钒钢中，原奥氏体晶界有严重的磷偏析（图4），而 其它元素未见异常。因此，磷在原奥氏体晶界的偏聚可能是高锰钢在淬火和低温回火状态下 产生沿晶断裂而导致低的冲击韧性的直接原因。锰在钢中可能有助于磷的这种不均匀分布的 发展。所以，随着钢中锰含量的增加，磷的晶界偏折也愈严重，导致冲击韧性随钢中锰含量 的增加而不断下降。 图3(a)×500 图3(b)×500 12-
表 厂 化 学 成 分 机 械 性 能 热 处 理 工 艺 。 口 名 一 创一飞 机 甲单 廿，‘月一 ‘占八白 ℃ 产 水淬 ℃ 回火 。 。 衬任︸︸ … · ℃ ，自，‘几 八月︸人了八口卜 ， ℃ 。 。 ，，‘几且吸，‘， 级甘门了几匕尸」孟 … ，上，，且 吕匕︸ 白，工 油回火淬 月， ，工任一 ‘‘ ﹃ ，，一上上 ，上占 内了住 … 滋阅心 卜丹比口 ，工怪尸 … 八甘几 洲川 已几 一 ，一目工‘ 一月的了 一 ” ‘ … ” ‘ ’ ‘ ’ “ 一 ’ … ’ 。 ’ “ ” · · ℃ ， ℃ ℃ 产 ℃ ， · ‘ ‘ ‘ 一 · · 二口几 怪内 自，工，，上勺， 匕 ‘只︸一 「 ℃ ℃ 。 。 。 。 。 。 ℃ 又 ℃ 。 。 【 。 。 。 ℃ ℃ 。 乃产心厂旧洒巴 注 拉伸是 二 个试样的 平均值 。 冲 击是 三个试样的 平 均值 。 断 裂韧性是 四 个试样的 平均值 。 把锰 的 含量保持 高水平 ， 此时 的断 口 形貌从淬火到 。 ℃ 以 下的 回火状态基 本上都 是典型的沿 晶断 口 ， 几乎毫无例外 ， 如图 所示 。 看来 ， 在正常淬火状态 ， 锰 能促 进淬 火 钢 原奥 氏体晶界的弱化和 脆化 ， 从而 导致沿 晶断裂 。 根据离子探 针对断 口表面及表面附近 的 成 分分析表 明 ， 在 淬火和低温回 火的锰铂钒钢 中 ， 原奥氏体 晶界有严重的磷偏析 图 ， 而 其它 元 素未 见异 常 。 因此 ， 磷在原奥 氏体 晶界的偏聚可能是高锰 钢在 淬火和低温 回火状态 下 产生沿 晶断 裂而导致低的 冲击 韧 性的直接原 因 。 锰 在钢 中可能有助 于磷的这 种不 均 匀分 布的 发展 。 所以 ， 随着钢 中锰 含量的 增加 ， 磷 的 晶界偏析也愈严重 ， 导致冲击 韧性随 钢 中锰 含量 的增加 而不 断 下降 。 图 汪 图
(e)×500 图3，含锰1.99%，合硅0.40%的硅钻钳帆酮济火和低温网火状态下的断山形额 ()淬火态的室温冲击断口， (b)280℃间火的室沿冲击断T. ()400℃网火的究温冲击断Π. S C-20w1 ) 4eanawrpwn 0 10 29 深瘦（台1 圈4：高话的硅锰佣帆钢(1.75%M,U.07%S1)补品惆[1表面弹的分布（离子银针分析结果）· 当降低硅锰钼钒钢中锰的含量或不入猛而使：的含量接近2%的水平，此时钢在济火 和低温回火后的断口形貌基本上是韧性：的孔坑断1！。且随着钢中硅含量的增加，孔坑断口 的比例也在增加。当硅含量达到2%时，儿乎金部是孔抗断口（见图5）。尽管孔坑断口的比 例陆硅含量的增加而增加，但钢的冲击制性却随硅的增加除低，这显然是个矛盾。通过对 衔口的进一步观察发现，硅钢的回火马氏体断口虽然属制性的孔坑断口，但孔坑的大小很 不均匀，有比较大的孔坑，也有很细小的微孔坑。而且这种细小的微孔坑，常常成片或带 状分布（见图6），称这种微孔坑带为“带”，实际上并不韧。引发这种微孔坑的非金 属夹杂物与引发大孔坑的夹杂物是不同的。引发人孔坑的火杂物从形貌上看，多是方形的夹 杂物，根据电子探针和能谱分析表明，这种夹杂物都是富钛、富钒和富氮相（图7）。结合 -13-
图 含 锰 肠 ， 含 硅 。 。 肠 的 硅 锰 铝 帆 钢 淬 火 和 低 缸 回 火状 态 下 的 断 日 形板 “ 淬 火态 的 室 沮 冲 击 断 ℃ 回 火 的 室 溢 冲 击断 门 仓 ℃ 回 火 的 室 趾 冲 击断 口 里︸，侧经， 深 瓜 秒 、 目 高 锰 的 硅 锰 相 饥 钢 ， 。 外 洽 沽断 花 而 磷 的 分 布 离 子 探 针 分 析 结 果 当降低硅 锰铂钒 钢 中锰 的 含 鼠或不 加 入 锰 而 使石 的 含 止接近 的 水 平 ， 此时 钢 在 淬 火 和 低 温 回 火后 的断 口 形 貌 基 本 匕是 韧性 的孔 坑断 日 。 而 田逾若钢 中硅 含量 的 增加 ， 孔 坑断 口 的 比 例 也在增加 。 当硅 含量达到 时 ， 儿乎 全部是 孔 坑断 日 见图 。 尽 管孔 坑 断 口 的 比 例随 硅 含量 的 增加 而 增加 ， 但钢的冲 击 性 却随 硅 的 增加 而降 低 ， 这 显然 是 个矛盾 。 通 过对 断 「的进 一步观察发现 ， 硅 钢的 回 火 马氏 体断 日 虽然属 卜冈性的孔 坑断 口 ， 但孔 坑的 大小很 不 均 匀 ， 有 比较 大的 孔坑 ， 也 有 很细 小的微孔 坑 。 而 且 这 利 ，细 小的 微 孔坑 ， 常 常 成片或带 状分 布 见图 ， 称 这 种微孔 坑 带 为 “ 川 荃” ， 实 际 井不 闭 。 引发 这 种微孔坑 的 非 金 属夹 杂物 与引发 大孔 坑 的夹杂 物是不 同的 。 引发 大孔 坑 的 夹杂 物 从形 貌 看 ， 多是方形 的 夹 杂物 ， 根据 电 子探 针和 能谱分 析表 明 ， 这 种夹杂物都是富钦 、 富钒 和富 氮 相 图 。 结 合 啼
这些夹杂物的形貌分析，仕计这种火 杂物可能是Ti(C,N)和V(C,N)- 类的非金属夹杂物。此种夹杂物比较 脆，很容易在应力作用下产生解理 (图8)或与基体脱离而引发裂纹形 核而导致低能量断裂。此种方形夹杂 随制中生合量的增加不仅数量有明显 的增，而且尺寸也显著增火。引发 微孔坑形核的非金属夹杂物，由于尺 太小来能测出它们的成分和结构。 但根据这种微孔坑的分布和尺度来 ×2000 图5：含锰0.04%，含硅2.C2%的硅锰帽钒 看，引发这种孔坑形核的可能是回火 解淬火和280℃回火的室溢神击试样断口的形貌 过程中析出的碳化物。因为在低温回 火状态下，碳化物的尺寸相对于非金属夹杂杨要小的多。另外从这些微孔坑所包围的面积来 看，大的约为20一30μm,这与钢的实际奥氏体i:是同…个数量级。小的在104m以下， 这与马氏体板条束的尺寸相当，也就是 说微孔坑一般都是分布在奥氏体晶界和 板条界，这些部位都是碳化物易于析出 ×1000潜6：合陆2.25%的硅锰相钒钢，淬火和289℃ (a)×3300 回火的斯口形貌及引发孔坑形枝的方形非金调光杂物。 (h)×3300 ()X333 ()×??n 图7：高硅的硅锰钼钱N断口表面的方形夹杂物的比子探针分析。 (a)斯口形貌扫播图. (化b)对氯元素的探针面打描图， ()对：元素的探针面扫插图， ()对帆元素的探幼面打捕图. -14-
图 含 锰。 肠 ， 含 硅 昭 肠 的硅 锰 相 帆 俐 淬 火 和 ℃ 回 火 的 室 温 冲 击 试 样断 口 的 形 貌 这些夹杂物的 形 貌分 析 ， 子月十这种 夹 杂物可 能 是 ， 和 ， 一 类 的非 全属 夹杂物 。 此种夹杂扎 比较 脆 ， 很 容 易在应 力 作用 下 产 生 解 理 图 或 与墓体脱 离而 引发裂 纹 形 核而导致 低能量 断裂 。 此种 方 形夹杂 随 钢 中硅 含量的 增加不 仅数量 有 明显 的 增加 ， 而 且尺 寸也显著增 大 。 引发 微孔坑 形核的非 金属夹杂物 ， 由于尺 一 寸太 小未能 测 出它 们 的成分和结 构 。 但根据 这种 微孔坑 的分布 和 尺 度 来 看 ， 弓发 这 种孔坑 形核的可 能是 回 火 过 程 中析 出的 碳化 物 。 因为在 低温 回 火 状 态 下 ， 碳化物的尺 寸 相对 于非 金属夹 杂物 要小的 多 。 另 外从 这 些微孔坑所 包 围的 面积 来 看 ， 大的约 为 。一 林 ， 这 与钢的实际奥 氏体 占 之是 同一个数量级 。 小 的在 。 卜 以 下 ， 这 与马 氏体板条束的尺 寸 相当 ， 也 就是 说微孔 坑 一般都是分布在奥 氏体 晶界和 板 条界 ， 这些 部位都 是碳化物 易于析 出 鹉 含硅 〕 止 怕 灼 硅 注 泪 钒 钢 ， 淬 火 和 一 溉 ℃ 两 火 的断 门 形 吮及 引 发 孔 坑 形 枝 的方 形 非 众 碳 灭 宁物 火 。 二， 图 高 硅 的硅 锰 相 钒 钢 断 口 表 面 的 方 形 夹 杂 物 的 电 子 探 针 分 析 断 口 形 貌扫 描 图 对 撼元 素 的 探 针 面 扫 描 图 ‘ 对 伙 元 素 的 探 针 面 扫 描 图 对 帆 元 素 的探 针 面 扫 描 图 刁 义