D0I:10.13374/i.issm1001t63x.2010.02.021 第32卷第2期 北京科技大学学报 Vol 32 No 2 2010年2月 Journal of Un iversity of Science and Technobgy Beijing Feb 2010 高强高韧低合金锰钢的研制 赵艳君2)许立伟阁良萍)孟庆雪”任学平) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)广西大学材料科学与工程学院，南宁530004 3)太原钢铁（集团）有限公司，太原030003 摘要采用多元合金化思路设计了一种新型低合金高强度高韧性锰钢.研究了该钢的静态CCT曲线、显微组织、断口形貌 以及热处理工艺对钢的力学性能的影响.结果表明：该钢中过冷奥氏体的稳定性高，具有高淬透性及高回火稳定性，经890~ 930℃淬火及200~230℃回火后获得回火板条马氏体组织，使该钢具有高的强韧性（抗拉强度R≥1500MPa冲击韧性A≥ 85)匹配：钢中适当提高锰含量，符合我国资源情况，具有较高的性价比· 关键词高强度低合金钢：锰钢：力学性能：热处理 分类号TG142.7 Preparation of a high-strength and h igh-toughness low alloy M n steel ZHAO Yan-in2,XU Liwe,YAN Liang ping,MENG Q ing xue),REN Xueping) 1)School ofMaterials Seience and Engneerng University of Seience and Technobgy Beijng Beijing 100083 Chna 2)College ofMaterials Science and Engneering GuangxiUniversity Nanning 530004.China 3)Taiyuan Imon and Steel(G moup)Co Ld,Taiyuan 030003 Chna A BSTRACT A new type of high"strength and high-toughness lowalloy Mn steel was designed by multi-element alloying The static CCT diagram.m icmostucture fracture morphology of the steel as well as the effect of heat treament on its mechan ical properties were stdied The results show that the stability of undercooled austenite in the steel is excellent which makes the steel have high handenability and tenpering stability After being quenched at890 to930C and empered at 200 to 230C,the steel obtains temnpered lath martensite which makes the steel the optium combination of tensile strength R.and ipact toughness A.(R1500MPa A 85 J).A good perfomanceprice ratio was detem ined by properly increasing the content ofMn which is abundant in China KEY WORDS high-strength bwalloy steel Mn steel mechanical properties heat treament 高强度低合金钢(high strength low alloy HSLA) 系，在实验选择的热处理工艺下，20SM3NA钢具 合金含量较低，约为%左右，可在成本增加很少的 有抗拉强度Rm≥1500MPa冲击韧性A≥85J的强 情况下获得较高的强度与韧性的合理匹配，因此具 韧性匹配，国内外高强度合金钢大多含有大量的合 有极佳的经济效益，其中，低碳马氏体合金钢淬火 金元素NiCk V和M。-山，该类合金元素在国内 后再低温回火，通常依赖马氏体相变和回火析出e一 价格较高，新的20sMn3NA钢适当增加了在我国 碳化物达到高强度1②)，该钢种在提高强度的同时， 资源丰富的MnSi含量，而仅含少量的Ni因而新 存在着韧性偏低的问题3)，20世纪70年代以来， 的20SMn3NiA钢具有较高的性价比.20SMn3NiA 钢能够在承受不连续、高速循环往复碰撞运动，服役 研究者研究了板条马氏体钢微观组织与强度之间的 联系[6-)，以期解决这一问题.笔者开发出一种新型 条件极为苛刻的零配件上应用，有极高的应用潜力， 硅锰镍系低合金钢（命名为20SMn3NA钢），在对 120SMn3NA钢的成分及实验方法 钢的成分进行多元优化设计的基础上，着重研究了 为保证新型的20SMn3NA钢具有较高的韧 该钢的显微组织、力学性能及其与热处理工艺的关 性，选用较低的碳含量，使钢的淬火组织主要是板条 收稿日期：2009-06-18 作者简介：赵艳君(197-)女，博士研究生：任学平(1957-)人男，教授，博士生导师，Email pxp33@mater ust山dum
第 32卷 第 2期 2010年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．2 Ｆｅｂ．2010 高强高韧低合金锰钢的研制 赵艳君 12） 许立伟 3） 阎良萍 1） 孟庆雪 1） 任学平 1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京 100083 2） 广西大学材料科学与工程学院南宁 530004 3） 太原钢铁 （集团 ）有限公司太原 030003 摘 要 采用多元合金化思路设计了一种新型低合金高强度高韧性锰钢．研究了该钢的静态 ＣＣＴ曲线、显微组织、断口形貌 以及热处理工艺对钢的力学性能的影响．结果表明：该钢中过冷奥氏体的稳定性高具有高淬透性及高回火稳定性经 890～ 930℃淬火及 200～230℃回火后获得回火板条马氏体组织使该钢具有高的强韧性 （抗拉强度 Ｒｍ≥1500ＭＰａ冲击韧性Ａｋｖ≥ 85Ｊ）匹配；钢中适当提高锰含量符合我国资源情况具有较高的性价比． 关键词 高强度低合金钢；锰钢；力学性能；热处理 分类号 ＴＧ142∙7 Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆａｈｉｇｈ-ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈｉｇｈ-ｔｏｕｇｈｎｅｓｓｌｏｗ-ａｌｌｏｙＭｎｓｔｅｅｌ ＺＨＡＯＹａｎ-ｊｕｎ 12）ＸＵＬｉ-ｗｅｉ 3）ＹＡＮＬｉａｎｇ-ｐｉｎｇ 1）ＭＥＮＧＱｉｎｇ-ｘｕｅ 1）ＲＥＮＸｕｅ-ｐｉｎｇ 1） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｕａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＮａｎｎｉｎｇ530004Ｃｈｉｎａ 3） ＴａｉｙｕａｎＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌ（Ｇｒｏｕｐ） Ｃｏ．Ｌｔｄ．Ｔａｉｙｕａｎ030003Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｈｉｇｈ-ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈｉｇｈ-ｔｏｕｇｈｎｅｓｓｌｏｗ-ａｌｌｏｙＭｎｓｔｅｅｌｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｍｕｌｔｉ-ｅｌｅｍｅｎｔａｌｌｏｙｉｎｇ．Ｔｈｅｓｔａｔｉｃ ＣＣＴｄｉａｇｒａｍｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｉｔｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｕｎｄｅｒ-ｃｏｏｌｅｄａｕｓｔｅｎｉｔｅｉｎｔｈｅｓｔｅｅｌｉｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｔｈｅｓｔｅｅｌｈａｖｅｈｉｇｈ ｈａｒｄｅｎａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｅｍｐｅｒｉｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ａｆｔｅｒｂｅｉｎｇｑｕｅｎｃｈｅｄａｔ890ｔｏ930℃ ａｎｄｔｅｍｐｅｒｅｄａｔ200ｔｏ230℃ｔｈｅｓｔｅｅｌｏｂｔａｉｎｓｔｅｍｐｅｒｅｄ ｌａｔｈｍａｒｔｅｎｓｉｔｅｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｔｈｅｓｔｅｅｌｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈＲｍ ａｎｄｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓＡｋｖ（Ｒｍ≥1500ＭＰａＡｋｖ≥ 85Ｊ）．Ａｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ-ｐｒｉｃｅｒａｔｉｏｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｐｒｏｐｅｒｌｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆＭｎｗｈｉｃｈｉｓａｂｕｎｄａｎｔｉｎＣｈｉｎａ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｈｉｇｈ-ｓｔｒｅｎｇｔｈｌｏｗ-ａｌｌｏｙｓｔｅｅｌ；Ｍｎｓｔｅｅｌ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ 收稿日期：2009--06--18 作者简介：赵艳君 （1971— ）女博士研究生；任学平 （1957— ）男教授博士生导师Ｅ-ｍａｉｌ：ｒｘｐ33＠ｍａｔｅｒ．ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 高强度低合金钢 （ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｌｏｗａｌｌｏｙＨＳＬＡ） 合金含量较低约为 5％左右可在成本增加很少的 情况下获得较高的强度与韧性的合理匹配因此具 有极佳的经济效益．其中低碳马氏体合金钢淬火 后再低温回火通常依赖马氏体相变和回火析出 ε-- 碳化物达到高强度 ［1--2］．该钢种在提高强度的同时 存在着韧性偏低的问题 ［3--5］20世纪 70年代以来 研究者研究了板条马氏体钢微观组织与强度之间的 联系 ［6--9］以期解决这一问题．笔者开发出一种新型 硅锰镍系低合金钢 （命名为 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢 ）在对 钢的成分进行多元优化设计的基础上着重研究了 该钢的显微组织、力学性能及其与热处理工艺的关 系在实验选择的热处理工艺下20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢具 有抗拉强度 Ｒｍ≥1500ＭＰａ、冲击韧性 Ａｋｖ≥85Ｊ的强 韧性匹配．国内外高强度合金钢大多含有大量的合 金元素 Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ和 Ｍｏ ［10--11］该类合金元素在国内 价格较高新的 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢适当增加了在我国 资源丰富的 Ｍｎ、Ｓｉ含量而仅含少量的 Ｎｉ因而新 的 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢具有较高的性价比．20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ 钢能够在承受不连续、高速循环往复碰撞运动服役 条件极为苛刻的零配件上应用有极高的应用潜力． 1 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢的成分及实验方法 为保证新型的 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢具有较高的韧 性选用较低的碳含量使钢的淬火组织主要是板条 DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．02．021
第2期 赵艳君等：高强高韧低合金锰钢的研制 .197. 马氏体，钢中添加了MnS和N合金元素，均具有 920℃，10min,奥氏体晶粒度7-9级 较强的提高钢淬透性的能力；N可改善低温韧性， 1000 提高冲击韧性；MnS对奥氏体和马氏体可产生一 900 A=800℃ 定的固溶强化，S还能够提高第1类回火脆性温度 800 区间，为细化钢的组织和改善钢的基本性能，还添 700 690℃ 加了适量的Ti20SMn3NiA钢的主要化学成分（质 600 量分数，%)为：C0.18~0.24Mn2.8~3.0Si 500 1.01.3,Ni1.01.3Ti0.020.08,S≤0.0045 400 M=330℃ ≤0.015其余为Fe 300H 20SMn3NA钢采用真空感应炉冶炼浇铸成锭， 200 十字锻造成材，锻后缓冷，锻材经680℃保温4h退 100叶硬度HV)489480 845042438s370350 火，在860℃保温30min正火处理，再经过不同热处 10 10210 10 时间s 理后，加工成中5mm标准短拉伸试样和10mm×10 图120sMn3NiA钢的CCT曲线 mm×55mm标准夏比V形缺口冲击试样，测试其力 Fig 1 CCT diagnm of 20SMn3NiA steel 学性能 不同淬火温度的拉伸和冲击试样毛坯分别加热 速率(V)很低，约为0.5℃·s,说明对一定尺寸的 到810840870900和930℃保温30min后油冷， 零件，20SMn3NA钢在很低的冷却速率下（如空 再经200℃回火保温120mim后空冷.不同回火温 冷)即能获得马氏体或马氏体十贝氏体的混合组 度的拉伸和冲击试样毛坯经900℃固溶40mn油淬 织，另一方面，由于锰和镍是强奥氏体形成元素，当 处理后，分别在180200230250,320,400,480 先共析铁素体转变时要在α和Y相间重新分配而 550600和650℃保温120mim回火空冷 转移到Y相，并建立局部平衡；这种情况仅在较高 由日产Fomastor Digital全自动相变记录仪测 转变温度下发生，而钢中镍在先共析铁素体转变时 定临界点和CCT曲线转变温度，用Leica VMHT 发生重新分配的温度要更高些，也就是说锰和镍在 3OM显微硬度计测量膨胀试样的显微维氏硬度；拉 Y相中扩散决定了先共析铁素体的转变，即转变的 伸实验在MTS810型试验机上进行，试样的标距为 速度是相当低的，因此在实验时间内并没有出现铁 25mm.拉伸应变速率为10-2。.冲击实验在B- 素体转变区域，珠光体转变区也受到极大抑制，并能 30B摆锤冲击弯曲试验机上依据GBT2291994 完全消失，且贝氏体转变区也被显著推迟 2.2显微组织 进行，采用夏比V形缺口试样。从拉伸试样上切取 分析表明，20SMn3NA钢经920℃加热淬火后 金相试样，经研磨、抛光和49%硝酸乙醇溶液浸蚀 得到的组织主要为板条马氏体，如图2所示，其中 显示金相组织.在Leica DMR型金相显微镜、JEM- 图2(a)与图2(b)的冷却速率分别为8℃，s和 2100F型透射电子显微镜(TEM、加速电压为200 2℃·s1,随着冷却速率的降低，淬火马氏体的板条 kV)上观察组织，在CAMBR DGE型扫描电镜 要粗一些，分布在马氏体板条之间的残余奥氏体四] (SEM)上观察冲击断口形貌. 在光学显微镜下无法观察到. 2实验结果及分析 图3(a)~(c)汾别为900℃淬火后200,320和 480℃回火时的组织.200℃回火时的板条马氏体 2.1CCT曲线 “遗传”了淬火板条马氏体的位向分布，说明 20sMm3NA钢在3min中内升温至920℃奥氏 20SMn3NA钢淬火后在200℃回火时，由于合金元 体化后，保温10mm然后在0.05~20℃·s以13 素的作用使回火中各种转变的温度区间提高，板条 种冷却速率分别将奥氏体化的试样冷却至室温，得 马氏体的分解还没有开始，因此其组织形貌与淬火 到的CCT曲线如图1所示，其中冷却曲线从左至右 态相差不大：在320℃回火时，由于回火温度增高， 冷却速率分别为2015864210.5,0.4,0.3 其组织隐约可见马氏体的板条结构；而在480℃回 0.20.1和0.05℃.s. 火时铁素体发生回复、再结晶，马氏体的板条形态消 由于钢中各种元素的综合作用，一方面， 失，再结晶的结果使铁素体长大，并形成狭长的多边 20SMn3NA钢的C曲线右移许多，其淬火临界冷却 形，组织明显得粗大
第 2期 赵艳君等： 高强高韧低合金锰钢的研制 马氏体．钢中添加了 Ｍｎ、Ｓｉ和 Ｎｉ合金元素均具有 较强的提高钢淬透性的能力；Ｎｉ可改善低温韧性 提高冲击韧性；Ｍｎ、Ｓｉ对奥氏体和马氏体可产生一 定的固溶强化Ｓｉ还能够提高第 1类回火脆性温度 区间．为细化钢的组织和改善钢的基本性能还添 加了适量的 Ｔｉ．20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢的主要化学成分 （质 量分数％ ） 为：Ｃ0∙18～0∙24Ｍｎ2∙8～3∙0Ｓｉ 1∙0～1∙3Ｎｉ1∙0～1∙3Ｔｉ0∙02～0∙08Ｓ≤0∙0045 Ｐ≤0∙015其余为 Ｆｅ． 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢采用真空感应炉冶炼浇铸成锭 十字锻造成材锻后缓冷锻材经 680℃保温 4ｈ退 火在 860℃保温 30ｍｉｎ正火处理再经过不同热处 理后加工成 ●5ｍｍ标准短拉伸试样和 10ｍｍ×10 ｍｍ×55ｍｍ标准夏比 Ｖ形缺口冲击试样测试其力 学性能． 不同淬火温度的拉伸和冲击试样毛坯分别加热 到 810840870900和 930℃保温 30ｍｉｎ后油冷 再经 200℃回火保温 120ｍｉｎ后空冷．不同回火温 度的拉伸和冲击试样毛坯经 900℃固溶 40ｍｉｎ油淬 处理后分别在 180200230250320400480 550600和 650℃保温 120ｍｉｎ回火空冷． 由日产 Ｆｏｒｍａｓｔｏｒ--Ｄｉｇｉｔａｌ全自动相变记录仪测 定临界点和 ＣＣＴ曲线转变温度用 ＬｅｉｃａＶＭＨＴ 30Ｍ显微硬度计测量膨胀试样的显微维氏硬度；拉 伸实验在 ＭＴＳ810型试验机上进行试样的标距为 25ｍｍ拉伸应变速率为 10 —2 ｓ —1．冲击实验在 ＪＢ-- 30Ｂ摆锤冲击弯曲试验机上依据 ＧＢ／Ｔ229—1994 进行采用夏比 Ｖ形缺口试样．从拉伸试样上切取 金相试样经研磨、抛光和 4％硝酸--乙醇溶液浸蚀 显示金相组织．在 ＬｅｉｃａＤＭＲ型金相显微镜、ＪＥＭ-- 2100Ｆ型透射电子显微镜 （ＴＥＭ、加速电压为 200 ｋＶ）上 观 察 组 织在 ＣＡＭＢＲＩＤＧＥ型 扫 描 电 镜 （ＳＥＭ）上观察冲击断口形貌． 2 实验结果及分析 2∙1 ＣＣＴ曲线 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢在 3ｍｉｎ中内升温至 920℃奥氏 体化后保温 10ｍｉｎ然后在 0∙05～20℃·ｓ —1以 13 种冷却速率分别将奥氏体化的试样冷却至室温得 到的 ＣＣＴ曲线如图 1所示其中冷却曲线从左至右 冷却速率分别为 2015864210∙50∙40∙3 0∙20∙1和 0∙05℃·ｓ —1． 由于 钢 中 各 种 元 素 的 综 合 作 用一 方 面 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢的 Ｃ曲线右移许多其淬火临界冷却 图 1 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢的 ＣＣＴ曲线 Ｆｉｇ．1 ＣＣＴｄｉａｇｒａｍｏｆ20ＳｉＭｎ3ＮｉＡｓｔｅｅｌ 速率 （Ｖｃ）很低约为 0∙5℃·ｓ —1说明对一定尺寸的 零件20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢在很低的冷却速率下 （如空 冷 ）即能获得马氏体或马氏体 ＋贝氏体的混合组 织．另一方面由于锰和镍是强奥氏体形成元素当 先共析铁素体转变时要在 α和 γ相间重新分配而 转移到 γ相并建立局部平衡；这种情况仅在较高 转变温度下发生而钢中镍在先共析铁素体转变时 发生重新分配的温度要更高些也就是说锰和镍在 γ相中扩散决定了先共析铁素体的转变即转变的 速度是相当低的因此在实验时间内并没有出现铁 素体转变区域珠光体转变区也受到极大抑制并能 完全消失且贝氏体转变区也被显著推迟． 2∙2 显微组织 分析表明20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢经 920℃加热淬火后 得到的组织主要为板条马氏体如图 2所示其中 图 2（ａ）与图 2（ｂ）的冷却速率分别为 8℃·ｓ —1和 2℃·ｓ —1随着冷却速率的降低淬火马氏体的板条 要粗一些分布在马氏体板条之间的残余奥氏体 ［12］ 在光学显微镜下无法观察到． 图 3（ａ）～（ｃ）分别为 900℃淬火后 200320和 480℃回火时的组织．200℃回火时的板条马氏体 “遗传 ” 了 淬 火 板 条 马 氏 体 的 位 向 分 布说 明 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢淬火后在 200℃回火时由于合金元 素的作用使回火中各种转变的温度区间提高板条 马氏体的分解还没有开始因此其组织形貌与淬火 态相差不大；在 320℃回火时由于回火温度增高 其组织隐约可见马氏体的板条结构；而在 480℃回 火时铁素体发生回复、再结晶马氏体的板条形态消 失再结晶的结果使铁素体长大并形成狭长的多边 形组织明显得粗大． ·197·
·198 北京科技大学学报 第32卷 30 um 30m 图220SMm3NA钢920℃淬火并以不同速率冷却的显微组织，(a)8℃·，(b)2℃·：1 Fig 2 M icmstmctures of 20SMn3NiA steel quenched at920C and cooled down at different cooling rates (a)8C.s (b)2C.s 30μm 30μm 30山m 图320SMn3NA钢在900℃淬火、不同温度回火120min的显微组织.(a)200℃；(b)320℃；(c)480℃ Fig 3 M icmostmuchures of20SMn3NiA steel quenched at 900C and tempered at different tmmpertures for 120m in (a)200C;(b)320C:(c) 480℃ 2.3热处理工艺对力学性能的影响 显，在840℃时最小的延伸率与930℃时最大的延 2.3.1淬火温度对力学性能的影响 伸率仅相差0.7%，而810℃时最小的断面收缩率与 由图4可知：在不同温度淬火并200℃、120mn 900℃时最大的断面收缩率仅相差0.%.随淬火 回火后，随淬火温度的升高，抗拉强度和屈服强度均 温度的升高，冲击韧性直线上升，在淬火温度为 降低，但降幅不大，钢的抗拉强度均在1500MPa以 900℃时，冲击韧性达到峰值(85J),比最小冲击韧 上，淬火温度对洛氏硬度没有明显的影响趋势，硬 性高出12.15在更高温度(930℃)淬火时，冲击韧 度变化不大·延伸率与断面收缩率变化程度都不明 性又降低，但降幅不大 1600 48 90 1500F a 1400 1300 --HRC 50 102 1200 44 1100 30 60 1000 42 9090082084086088090920940 180082084086080900920940 淬火温度℃ 淬火温度℃ 图4淬火温度对2OSM3NA钢力学性能的影响，(a)强度和硬度：(b)塑性和冲击韧性 Fig 4 Effect of quenching mpemture on the mechanical pmoperties of 20SMn3NiA steel (a)strength and hanness (b)plasticity and inpact toughness 在810℃和840℃淬火并200℃、120mim回火 的升高，奥氏体晶粒逐渐长大，相变后的马氏体板条 时，由于淬火温度偏低，奥氏体化过程难以充分进 束尺寸大，因此强度和韧性下降；再次，因该材料中 行，组织中还有未溶解的碳化物存在，奥氏体中固溶 碳含量少，且Mn为弱碳化物形成元素，SiNi皆为 的碳和合金元素含量低，奥氏体组织不均匀，因而淬 非碳化物形成元素，故整体硬度不高，在淬火温度范 火马氏体回火后的冲击韧性偏低：其次，随淬火温度 围内的平均硬度为HRC42.5
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 2 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢 920℃淬火并以不同速率冷却的显微组织．（ａ）8℃·ｓ—1；（ｂ）2℃·ｓ—1 Ｆｉｇ．2 Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆ20ＳｉＭｎ3ＮｉＡｓｔｅｅｌｑｕｅｎｃｈｅｄａｔ920℃ ａｎｄｃｏｏｌｅｄｄｏｗｎａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅｓ：（ａ）8℃·ｓ—1；（ｂ）2℃·ｓ—1 图 3 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢在 900℃淬火、不同温度回火 120ｍｉｎ的显微组织．（ａ）200℃；（ｂ）320℃；（ｃ）480℃ Ｆｉｇ．3 Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆ20ＳｉＭｎ3ＮｉＡｓｔｅｅｌｑｕｅｎｃｈｅｄａｔ900℃ ａｎｄｔｅｍｐｅｒｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｆｏｒ120ｍｉｎ：（ａ）200℃；（ｂ）320℃；（ｃ） 480℃ 2∙3 热处理工艺对力学性能的影响 2∙3∙1 淬火温度对力学性能的影响 由图 4可知：在不同温度淬火并 200℃、120ｍｉｎ 回火后随淬火温度的升高抗拉强度和屈服强度均 降低但降幅不大钢的抗拉强度均在 1500ＭＰａ以 上．淬火温度对洛氏硬度没有明显的影响趋势硬 度变化不大．延伸率与断面收缩率变化程度都不明 显在 840℃时最小的延伸率与 930℃时最大的延 伸率仅相差0∙7％而810℃时最小的断面收缩率与 900℃时最大的断面收缩率仅相差 0∙8％．随淬火 温度的升高冲击韧性直线上升在淬火温度为 900℃时冲击韧性达到峰值 （85Ｊ）比最小冲击韧 性高出 12∙1Ｊ；在更高温度 （930℃ ）淬火时冲击韧 性又降低但降幅不大． 图 4 淬火温度对 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢力学性能的影响．（ａ） 强度和硬度；（ｂ） 塑性和冲击韧性 Ｆｉｇ．4 Ｅｆｆｅｃｔｏｆｑｕｅｎｃｈｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ20ＳｉＭｎ3ＮｉＡｓｔｅｅｌ：（ａ） ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓ；（ｂ） ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙａｎｄｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ 在 810℃和 840℃淬火并 200℃、120ｍｉｎ回火 时由于淬火温度偏低奥氏体化过程难以充分进 行组织中还有未溶解的碳化物存在奥氏体中固溶 的碳和合金元素含量低奥氏体组织不均匀因而淬 火马氏体回火后的冲击韧性偏低；其次随淬火温度 的升高奥氏体晶粒逐渐长大相变后的马氏体板条 束尺寸大因此强度和韧性下降；再次因该材料中 碳含量少且 Ｍｎ为弱碳化物形成元素Ｓｉ、Ｎｉ皆为 非碳化物形成元素故整体硬度不高在淬火温度范 围内的平均硬度为 ＨＲＣ42∙5． ·198·
第2期 赵艳君等：高强高韧低合金锰钢的研制 ·199 2.3.2回火温度对力学性能的影响 ℃时随回火温度升高而大幅度下降；屈服强度的 经900℃加热淬火后在不同温度下回火 总体变化趋势也是先升高再降低，但变化幅度较 120mn20sMn3NA钢的力学性能随回火温度 小.从图5(b)可以看出：在低温回火温度范围 的升高所发生的变化如图5所示，由图5(a)可 内，冲击韧性先升高后降低，在230℃时冲击韧 见，回火时硬度变化的趋势为：硬度先基本持平， 性达到峰值，为90.6J在250~320℃韧性急速 然后略有升高，随后随着回火温度的升高，钢的 下降，下降了57.4J在320℃时冲击韧性只有 硬度不断下降，特别是回火温度在400℃以上 23J表明发生了低温回火脆性，钢在320~600 时，由于e碳化物转变为渗碳体，共格关系破坏 ℃回火时，冲击韧性很低，产生了高温回火脆性， 以及渗碳体的聚集长大而使钢的硬度呈直线下 当回火温度继续上升至650℃时，冲击韧性大幅 降.由图5(a)还可发现：钢的抗拉强度随回火温 度上升，韧性值为75J断裂方式又开始转变为韧 度的升高而逐渐升高，在230℃时达到一个最大 性断裂，钢的延伸率和断面收缩率随回火温度变 值，然后随着温度的升高而缓慢降低，当大于320 化的幅度都不大 1800 10 a (b) 90 1600 40 1400 30 60 1200F 50= 20 40 1000 --R 800 一·-HRC 0 20 30 60 100200300400500600 100200300400500600 70 回火温度℃ 回火温度℃ 图5回火温度对20SM3NA钢力学性能的影响，(a)强度和硬度；(b)塑性和冲击韧性 Fig 5 Effect of tempering tmperature on the mechanical pmperties of 20SMn3NiA steel (a)strength and hariness (b)plasticity and impact toughness 经900℃淬火、保温40mm油冷处理后，在 因此20sMn3NA钢在230℃回火时通过马氏体相 180~230℃间回火并保温120min20sMn3NA钢 变和回火过程中马氏体板条内析出的飞碳化物及 具有高位错密度的板条马氏体组织，所获得的最好 板条间的残余奥氏体共同达到所需的强韧性配合， 力学性能为抗拉强度1595MPa延伸率14.55%，V 由于20SMn3NA钢中含有SiMn合金元素， 形缺口冲击韧性88.7J具有较高的强韧性匹配、 低温回火脆化温度提高到300~320℃，此外，由于 图6伪230℃回火120m的板条马氏体形貌，由 含有N和较高的Mn该钢的高温回火脆性也比较 图6(b)可知，在230℃回火时，马氏体板条内仍然 显著，20SMn3NiA钢中含有的NiMn等合金元素 还有位错，且板条间的残余奥氏体也没有完全分解， 不但促进杂质元素向晶界偏聚，而且本身也向晶界 (a b I um 150nm 图620SMn3NA钢230℃回火120mn的TEM组织.(a)板条马氏体及析出的e碳化物：(b)马氏体板条间的残余奥氏体 Fig 6 TEM m icmstnictures of 20SMn3N A steel after mpering at 230C for 120m (a)lath martensite and precipitated ecabide (b)mar lensite nter-lath metained austen ite
第 2期 赵艳君等： 高强高韧低合金锰钢的研制 2∙3∙2 回火温度对力学性能的影响 经 900℃ 加 热 淬 火 后 在 不 同 温 度 下 回 火 120ｍｉｎ20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢的力学性能随回火温度 的升高所发生的变化如图 5所示．由图 5（ａ）可 见回火时硬度变化的趋势为：硬度先基本持平 然后略有升高随后随着回火温度的升高钢的 硬度不断下降特别是回火温度在 400℃以上 时由于 ε--碳化物转变为渗碳体共格关系破坏 以及渗碳体的聚集长大而使钢的硬度呈直线下 降．由图 5（ａ）还可发现：钢的抗拉强度随回火温 度的升高而逐渐升高在 230℃时达到一个最大 值然后随着温度的升高而缓慢降低当大于 320 ℃时随回火温度升高而大幅度下降；屈服强度的 总体变化趋势也是先升高再降低但变化幅度较 小．从图 5（ｂ）可以看出：在低温回火温度范围 内冲击韧性先升高后降低在 230℃时冲击韧 性达到峰值为 90∙6Ｊ在 250～320℃韧性急速 下降下降了 57∙4Ｊ在 320℃时冲击韧性只有 23Ｊ表明发生了低温回火脆性．钢在 320～600 ℃回火时冲击韧性很低产生了高温回火脆性． 当回火温度继续上升至 650℃时冲击韧性大幅 度上升韧性值为 75Ｊ断裂方式又开始转变为韧 性断裂．钢的延伸率和断面收缩率随回火温度变 化的幅度都不大． 图 5 回火温度对 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢力学性能的影响．（ａ） 强度和硬度；（ｂ） 塑性和冲击韧性 Ｆｉｇ．5 Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｅｍｐｅｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ20ＳｉＭｎ3ＮｉＡｓｔｅｅｌ：（ａ） ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓ；（ｂ） ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙａｎｄｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ 图 6 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢 230℃回火 120ｍｉｎ的 ＴＥＭ组织．（ａ） 板条马氏体及析出的 ε--碳化物；（ｂ） 马氏体板条间的残余奥氏体 Ｆｉｇ．6 ＴＥＭｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆ20ＳｉＭｎ3ＮｉＡｓｔｅｅｌａｆｔｅｒｔｅｍｐｅｒｉｎｇａｔ230℃ ｆｏｒ120ｍｉｎ：（ａ） ｌａｔｈｍａｒｔｅｎｓｉｔｅａｎｄｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄε-ｃａｒｂｉｄｅ；（ｂ） ｍａｒ- ｔｅｎｓｉｔｅｉｎｔｅｒ-ｌａｔｈｒｅｔａｉｎｅｄａｕｓｔｅｎｉｔｅ 经 900℃淬火、保温 40ｍｉｎ油冷处理后在 180～230℃间回火并保温 120ｍｉｎ20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢 具有高位错密度的板条马氏体组织所获得的最好 力学性能为抗拉强度 1595ＭＰａ延伸率 14∙55％Ｖ 形缺口冲击韧性 88∙7Ｊ具有较高的强韧性匹配． 图 6为230℃回火120ｍｉｎ的板条马氏体形貌．由 图 6（ｂ）可知在 230℃回火时马氏体板条内仍然 还有位错且板条间的残余奥氏体也没有完全分解 因此 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢在 230℃回火时通过马氏体相 变和回火过程中马氏体板条内析出的 ε--碳化物及 板条间的残余奥氏体共同达到所需的强韧性配合． 由于 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢中含有 Ｓｉ、Ｍｎ合金元素 低温回火脆化温度提高到 300～320℃此外由于 含有 Ｎｉ和较高的 Ｍｎ该钢的高温回火脆性也比较 显著．20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢中含有的 Ｎｉ、Ｍｎ等合金元素 不但促进杂质元素向晶界偏聚而且本身也向晶界 ·199·
·200 北京科技大学学报 第32卷 偏聚，进一步降低了晶界强度，因而使高温回火脆性 随有明显塑性变形的结果，说明低温回火时钢的 比较显著) 抗冲击性能属于高韧性范围：而在中温回火和高 2.3.3回火温度对冲击断口形貌的影响 温回火时则以穿晶断裂的脆性断口为主（图7 20sMn3NA钢经不同温度回火后的冲击试样 (c)、(d)),组织照片中也有许多沿晶断裂的脆性 断口形貌如图7所示，从图中可以看出：低温回火 断口，冲击断口形貌的改变也反映了随着回火温 时为典型的韧窝状断口（图7(a)、(b)),180℃与 度的升高，20SMn3NA钢冲击韧性降低，这与前述 230℃回火态相似，两种断口上均有大小不等的韧 回火温度对20SMn3NA钢力学性能的影响是一 窝，多数韧窝较深且尺寸较大，这是断裂过程中伴 致的， 50m 50m 204m 50 um 图720SM3NiA钢不同回火温度下的断口形貌.(a)180℃：(b)230℃；(c)320℃；(d)600℃ Fg7 Fractogmphs of20sMn3 NiA steel quenched at differnt tomperature4(a)180℃；(b)230℃；(c)320C；(d)600℃ (厉勇，王春旭，田志凌，等.一种低合金超高强度钢组织与性 3结论 能的研究.钢铁，200843(5)：75) [2]Yang R L LiL J LiY C Stdy on a new low alboy high strength and (1)开发了一种硅锰镍系低合金钢 high toughness and wear resistance steel Iron Steel 1999 3(7):41 (20SMn3NiA钢)，该钢碳含量较低，大约为0.2%， (杨瑞林，李力军，李玉成.新型低合金高强韧性耐磨钢的研 但加入了MnS和N等总量约为%的合金元素 究.钢铁，199934(7)：41) 并热处理后，可获得较高的强韧性(R≥1500MPa [3]K rauss G.Defomation and fracture in martensitic cabon steels Aw≥85J)匹配 tempered at bow temperatures Metall Mater Trans B.2001.32 (2)20SMn3NA钢的热处理工艺为：890~930 (2):205 [4]Saeglitz M.K mauss G.Defomation fracture and mechanical ℃淬火、保温40mm后油冷，200~230℃回火、保温 pmoperties of bw-mmperature-emnpered marensite in SAE 43xx 120mn后空冷.获得的力学性能为：抗拉强度1595 steels MetallMater TmnsA 1997.28(2):377 MPa延伸率14.5%，V形缺口冲击韧性88.7J [5]Tan ita Y.OkabayashiK.Effect ofm icrostnucture on strength and (3)在20SMn3NiA钢中适当提高Mn含量，符 toughness of heattreated bw alboy stnictml seels Metall Trans 合我国资源情况，该钢具有很高的淬透性，淬火时空 A1986,17(7):1203 冷即可获得完全的马氏体组织，低温回火后获得的板 [6]Gao Y W,Jing T F Qiao G Y.et al M icrostmuchumal evolution and tensile properties of bw cabon steel with martensitic m icm 条马氏体有良好的强韧性，因此有较高的性价比 stmuchre during wam defom ing and annealing JUniv SciTechnol Beijing200815(3):245 参考文献 [7]W ang C F W ang M Q ShiJ et al Effect ofm icmostruicture re- [1]LiY.Wang C X.Tian ZL et al Investigation on m icrostnucture finenent on the strength and toughness of low alby martensitic and mechan ical properties of low alloyed ultra high strength steel steel J Mater SciTechnol 2007.23(5):659 Iron Steel200843(5):75 (下转第206页)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 偏聚进一步降低了晶界强度因而使高温回火脆性 比较显著 ［13］． 2∙3∙3 回火温度对冲击断口形貌的影响 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢经不同温度回火后的冲击试样 断口形貌如图 7所示．从图中可以看出：低温回火 时为典型的韧窝状断口 （图 7（ａ）、（ｂ））180℃与 230℃回火态相似两种断口上均有大小不等的韧 窝多数韧窝较深且尺寸较大这是断裂过程中伴 随有明显塑性变形的结果说明低温回火时钢的 抗冲击性能属于高韧性范围；而在中温回火和高 温回火时则以穿晶断裂的脆性断口为主 （图 7 （ｃ）、（ｄ））组织照片中也有许多沿晶断裂的脆性 断口．冲击断口形貌的改变也反映了随着回火温 度的升高20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢冲击韧性降低这与前述 回火温度对 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢力学性能的影响是一 致的． 图 7 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢不同回火温度下的断口形貌．（ａ）180℃；（ｂ）230℃；（ｃ）320℃；（ｄ）600℃ Ｆｉｇ．7 Ｆｒａｃｔｏｇｒａｐｈｓｏｆ20ＳｉＭｎ3ＮｉＡｓｔｅｅｌｑｕｅｎｃｈｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ：（ａ）180℃；（ｂ）230℃；（ｃ）320℃；（ｄ）600℃ 3 结论 （1） 开 发 了 一 种 硅 锰 镍 系 低 合 金 钢 （20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢 ）．该钢碳含量较低大约为0∙2％ 但加入了 Ｍｎ、Ｓｉ和 Ｎｉ等总量约为 5％的合金元素 并热处理后可获得较高的强韧性 （Ｒｍ≥1500ＭＰａ Ａｋｖ≥85Ｊ）匹配． （2）20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢的热处理工艺为：890～930 ℃淬火、保温 40ｍｉｎ后油冷200～230℃回火、保温 120ｍｉｎ后空冷．获得的力学性能为：抗拉强度 1595 ＭＰａ延伸率 14∙55％Ｖ形缺口冲击韧性 88∙7Ｊ． （3） 在 20ＳｉＭｎ3ＮｉＡ钢中适当提高 Ｍｎ含量符 合我国资源情况．该钢具有很高的淬透性淬火时空 冷即可获得完全的马氏体组织低温回火后获得的板 条马氏体有良好的强韧性因此有较高的性价比． 参 考 文 献 ［1］ ＬｉＹＷａｎｇＣＸＴｉａｎＺＬｅｔａｌ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌｏｗａｌｌｏｙｅｄｕｌｔｒａ-ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌ． ＩｒｏｎＳｔｅｅｌ200843（5）：75 （厉勇王春旭田志凌等．一种低合金超高强度钢组织与性 能的研究．钢铁200843（5）：75） ［2］ ＹａｎｇＲＬＬｉＬＪＬｉＹＣ．Ｓｔｕｄｙｏｎａｎｅｗｌｏｗａｌｌｏｙｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄ ｈｉｇｈｔｏｕｇｈｎｅｓｓａｎｄｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｔｅｅｌ．ＩｒｏｎＳｔｅｅｌ199934（7）：41 （杨瑞林李力军李玉成．新型低合金高强韧性耐磨钢的研 究．钢铁199934（7）：41） ［3］ ＫｒａｕｓｓＧ．Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｉｎｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃｃａｒｂｏｎｓｔｅｅｌｓ ｔｅｍｐｅｒｅｄａｔｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ．ＭｅｔａｌｌＭａｔｅｒＴｒａｎｓＢ200132 （2）：205 ［4］ ＳａｅｇｌｉｔｚＭＫｒａｕｓｓＧ．Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒａｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌｏｗ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ-ｔｅｍｐｅｒｅｄｍａｒｔｅｎｓｉｔｅｉｎＳＡＥ43ｘｘ ｓｔｅｅｌｓ．ＭｅｔａｌｌＭａｔｅｒＴｒａｎｓＡ199728（2）：377 ［5］ ＴｏｍｉｔａＹＯｋａｂａｙａｓｈｉＫ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｈｅａｔ-ｔｒｅａｔｅｄｌｏｗａｌｌｏｙｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｅｅｌｓ．ＭｅｔａｌｌＴｒａｎｓ Ａ198617（7）：1203 ［6］ ＧａｏＹＷＪｉｎｇＴＦＱｉａｏＧＹｅｔａｌ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌｏｗ-ｃａｒｂｏｎｓｔｅｅｌｗｉｔｈｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃｍｉｃｒｏ- ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｕｒｉｎｇｗａｒｍ-ｄｅｆｏｒｍｉｎｇａｎｄａｎｎｅａｌｉｎｇ．ＪＵｎｉｖＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌ Ｂｅｉｊｉｎｇ200815（3）：245 ［7］ ＷａｎｇＣＦＷａｎｇＭＱＳｈｉＪｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅ- ｆｉｎｅｍｅｎｔｏｎｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｌｏｗ ａｌｌｏｙｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ ｓｔｅｅｌ．ＪＭａｔｅｒＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌ200723（5）：659 （下转第 206页 ） ·200·