Mn元素对9Ni钢组织及力学性能的影响.pdf

第 卷 第 期 年 月 f畅 r畅 Mn 元素对 9Ni 钢组织及力学性能的影响 战国锋 ， 刘继雄， 刘文斌 （武汉钢铁（集团）公司研究院， 湖北 武汉 ； 武钢（北京）新材料研究中心， 北京 ） 摘要：通过光学显微镜和透射电镜对不同锰元素含量的 钢的显微组织进行观察和分析，研究了锰对热轧态、调质态钢板显微组 织和力学性能的影响。 结果表明，锰含量对试验钢显微组织的类型没有明显影响，但会影响生成的 岛的数量；锰含量的增加， 可使钢的固溶强化作用增强，提高强度，但会使锰的偏析情况更加严重；降低 钢中锰元素含量可使低温钢的低温冲击性能明显 提高；经调质热处理后，钢板的组织更加细化、均匀，钢板的冲击性能得到明显改善。 关键词： 钢；锰元素；微观组织；调质 中图分类号：TG162 83 文献标志码：A 文章编号：0254- 6051（2016）03- 0180- 04 Effects of Mn on microstructure and mechanical properties of 9Ni steel ， ， ， （ ， ， ； （） ， ， ） Abstract： ， ， ， ， ， ， ， ， Key words： ； ； ； 收稿日期：- - 作者简介：战国锋（），男，博士，主要从事低温压力容器用钢方面 的研究，- ： 。 doi：10 13251 j issn 0254- 6051 2016 03 040 钢是镍元素含量为 左右的一类低温钢，在 枟低温压力容器用钢板枠标准中的牌号 为，主要用于制造存储和运输液化天然气 （）储罐 。 影响 钢强韧性的因素一直是低温 压力容器用钢研究领域的重点和热点之一，但目前大 多数的研究主要集中在热处理工艺及微合金化方 面 - ，有关锰元素对 钢强韧性影响的研究还鲜见 报道。 锰元素可明显提高钢的抗拉强度和屈服强度，是 钢中主要添加元素之一，主要通过固溶强化作用对钢 的基体进行强化。 通常，钢中锰元素含量每增加 ， 钢的抗拉强度就可提高 左右。 同时，锰元素 也是奥氏体区扩大元素，能增加奥氏体的稳定性并降 低奥氏体的分解速度，使残留奥氏体的数量增加，提高 材料的层错能 - 。 在钢的冶炼过程中，锰元素可与 钢中的硫元素结合形成 ，从而防止硫元素引起的 热脆性，改善钢的韧性及冲击性能。 本文利用光学显微镜及透射电镜对不同锰元素含 量的 钢的显微组织进行了观察和分析，研究了锰 元素对热轧态及调质态 钢微观组织及力学性能的 影响。 试验材料与方法 试验用钢化学成分如表 所示。 采用 真 空感应炉进行熔炼，浇铸成 钢锭。 轧制前，将 钢锭装入加热炉中进行预热，均热温度为 ， 保温时间为 ，预热完毕后在 两辊轧 机上进行两阶段控温轧制，精轧开轧温度 ； 终轧温度为（ ） ；轧后冷却方式为空冷。 其中，前 道次采用大压下，压下量为 ， 最后一道次待温轧制，压下率为 ，轧制成厚为 的钢板。 热处理试验在箱式电阻炉中进行，采用调质热 处理工艺，具体工艺参数为：淬火温度 ，保温 后水冷，回火温度 ，保温 后 空冷。 第 期战国峰，等： 元素对 钢组织及力学性能的影响 l 表1 试验钢的化学成分（质量分数 ） Table 1 Chemical composition of the tested steels （mass fraction， ） 试验钢号 d y y z f g g T d y y z f g g T d y y z f g g T d y y z f g g T 对试样进行研磨、机械抛光后，用 的硝酸 酒精溶液进行侵蚀，使用 型光学显微 镜和 - 型场发射透射电镜观察微观组织。 用于力学性能测试的成品钢板按照 枟钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制 备枠标准取样。 按照 枟金属材料 室温 拉伸试验方法枠标准在岛津电液试验机（ ）上进 行拉伸试验，测定钢板的屈服强度、抗拉强度以及伸长 率。 冲击试样为 的标准 型 缺口试样，按照 枟金属夏比缺口冲击 试验方法枠 标准在 摆锤落槌冲击试验机 （ ）上进行冲击试验。 冲击前将试样和夹具放入 液氦中保温 以上，以达到温度均匀化。 试验结果 2 1 锰元素对试验钢力学性能的影响 不同锰元素含量的试验钢的力学拉伸性能及 低温冲击性能如图 所示。 从图 （）可以 看出，热处理对试验钢的抗拉性能影响比较明显，调质 处理后，试验钢的抗拉强度明显下降，屈服强度则明显 提升，热处理使得试验钢的塑性得到明显改善。 随着 锰元素含量的增加，试验钢的抗拉强度及屈服强度都 随之增加，但可以看出，当锰含量超过 后，其强度 增加的速度下降，锰元素对试验钢强度的几乎没有 影响。 从图 （）可以看出，热轧状态试验钢的 下的低温冲击吸收能量都很低，全部小于 ；经过调 质热处理后，锰含量最低的 号试验钢其低温冲击性 能提升最为明显，达到了 以上；而其他锰含量的 试验钢的低温冲击性能则没有明显改善。 随着锰元素 含量的增加，试验钢的低温冲击性能随之下降。 2 2 锰元素对试验钢组织的影响 图 是不同锰含量的试验钢在热轧态及调质态的 显微组织。 从图（ ）中可以看出，热轧态的试验钢 显微组织主要为淬火马氏体。 经调质热处理后，试验钢 的显微组织如图 （ ）所示，基体主要为回火马氏 图 不同锰含量试验钢的力学性能及低温冲击性能 体，但根据锰元素含量的不同，试验钢的显微组织也有 所区别。 锰元素含量最低的 号试验钢原奥氏体晶界 明显，基体上的碳化物分布均匀；锰含量稍高的 号试 验钢，除部分回火马氏体外还有较多的变形铁素体及碳 化物聚集；锰元素含量更高的 号及 号试验钢的显微 组织也主要为回火马氏体，但基体上的碳化物分布并不 均匀，有明显的偏析带。 锰元素含量对试验钢组织的类 型没有影响，但调质后钢的组织更加细小、均匀。 分析与讨论 试验钢热轧态的显微组织主要为淬火马氏体，这 也是热轧态试验钢强度较高但韧性很低的主要原因。 锰元素是奥氏体区扩大元素，随着锰元素含量的增加， 试验钢的共析点左移，提高了钢中渗碳体的含量，使得 锰含量较高的试验钢的元素偏析比较严重 - 。 在调 质处理的过程中，由于将钢板加热到奥氏体转变温度 l 第 卷 图 试验钢热轧态（ ）及调质态（ ）的显微组织 （， ） 号钢；（， ） 号钢；（， ） 号钢；（， ） 号钢 （- ） （- ） （， ） ；（， ） ；（， ） ；（， ） 以上，试验钢组织重新奥氏体化，碳元素、锰元素及其 他合金元素都能进行有效的扩散，从而有利于减轻锰 图 不同锰含量试验钢调质态的显微组织（， ）及位错形貌（， ） （，） 号钢；（，） 号钢 （，） （，） （，） ； （，） 元素的偏析。 碳元素及锰元素的偏析区形成了明显的 偏析带，由于偏析带上局部区域碳及锰元素的富集，导 致钢板在回火时形成了一定数量的 岛。 试验钢经调质处理后，使用透射电镜对锰元素含 量最低的 号试验钢及锰含量最高的 号试验钢进行 分析，结果如图 所示。 可以发现，试验钢的基体组织 第 期战国峰，等： 元素对 钢组织及力学性能的影响 l 均为板条状马氏体，在马氏体板条间及马氏体束间有 回转奥氏体及少量 岛存在，锰元素含量较高的 号试样位错密度较高，因此其强度较高，但由于锰元素 富集形成的 岛也较多，因此其低温冲击性能 较低。 在调质处理过程中，在铁素体和渗碳体之间会发 生碳、锰元素及其他合金元素的重新分配，其中碳化物 形成元素置换出基体中的铁原子，在渗碳体中富集，形 成了合金渗碳体。 锰是强烈的碳化物形成元素，因此 锰元素含量较高的钢板其偏析更加严重。 调质态钢板的强度比热轧态钢板的要低，主要是 由于调质后钢中位错密度降低造成的。 由于采用控制 轧制工艺，在奥氏体区控制轧制变形过程会形成大量 的位错，因此热轧态的钢板强度较高，但这些位错在回 火的过程中会产生回复，从而导致部分位错的重组及 消失，因此调质态钢板的位错密度会下降，从而使其强 度降低。 随着锰元素含量的增加，试验钢的强度也随之提 高，这是因为锰元素能有效提高钢材的强度：一部分锰 原子溶解于基体，形成置换固溶体，提高了基体的强 度；另一部分锰原子则与铁、碳元素形成（，） 相，但随着锰元素含量的增加，溶质原子增多，锰元素 偏析加剧，钢板强度虽然上升，但塑性和韧性下降，钢 板的伸长率和低温冲击吸收能量都明显降低，尤其是 低温韧性恶化的更为剧烈，这就是 号钢有着较高的 强度，而 号钢低温韧性更好的原因。 从低温钢的使 用性能方面考虑，既要有较高的强度，同时又要有优良 的低温冲击性能，因此， 钢中既要保持一定含量的 锰元素，但同时锰含量也不宜过高。 结论 ） 锰元素含量对试验钢的组织类型没有明显影 响，热轧态试验钢均为淬火马氏体组织，调质态试验 钢组织均为回火马氏体组织，但随着锰元素含量的 增加，试验钢中的碳化物分布不均，锰元素的偏析更 为严重。 ） 锰元素含量增加，固溶强化作用增强，试验钢 强度变大，但随着锰元素的增加，偏析现象加重， 岛数量增多，使材料的低温韧性下降。 ） 调质能够有效地使热轧态钢板的组织细化、均 匀化，从而改善钢板的低温冲击性能，试验钢在调质状 态下强度的变化是由晶粒细化、析出强化及位错密度 变化综合影响的结果。 参考文献： 刘东风， 杨秀利， 侯利锋， 等液化天然气储罐用超低温 钢的 研究及应用钢铁研究学报， ， （）： - ， ， ， （）： - 张 坤， 唐 荻， 武会宾回火保温时间对 钢逆转变奥氏体和 低温韧性的影响金属热处理， ， （）： - ， ， ， ， （）： - 杨秀利， 刘东风， 侯利锋， 等回火温度对 钢低温韧度的影响 研究钢铁研究学报， ， （）： - ， ， ， - ， ， （）： - 杨跃辉， 蔡庆伍， 武会宾， 等两相区热处理工艺对 钢性能的 影响材料热处理学报， ， （）：