热处理工艺对22SiMn2TiB钢组织和性能的影响

陈林恒 刘洪武 王青峰 邢 雷 刘文闯 杨 柳

(1.南京钢铁股份有限公司，江苏南京 2100352；2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛 066004；3.国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北秦皇岛 066004)

热处理工艺对22SiMn2TiB钢组织和性能的影响

陈林恒1刘洪武2,3王青峰2,3邢 雷2,3刘文闯2,3杨 柳1

(1.南京钢铁股份有限公司，江苏南京 2100352；2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛 066004；3.国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北秦皇岛 066004)

对22SiMn2TiB超高强度钢进行了不同工艺的热处理，随后对其进行了拉伸、冲击和硬度试验，以研究回火温度对试验钢力学性能的影响，并采用光学显微镜和透射电镜研究了不同温度回火后钢的显微组织。结果表明，在较低温度回火能提高钢的冲击韧性；回火温度升高，由于渗碳体的析出，会产生回火脆性，冲击韧性降低。经920 ℃淬火、225 ℃回火的试验钢具有良好的综合力学性能。

22SiMn2TiB超高强度钢 回火 显微组织 冲击韧性

随着社会经济的迅速发展，对防弹、防爆车辆需求量不断增加，防护用钢用量大大增加，高性能、低成本的防护用钢有很大的市场需求。防护用钢不仅需要有很高的强度，还需要具有较高的冲击韧性，才能达到较好的防护性能[1]。22SiMn2TiB超高强度钢具有高的强度和硬度，但冲击韧性较低。一般认为，钢的强度和韧性是一对矛盾，提高强度会降低韧性，研究如何通过调整工艺，适当降低强度来提高冲击韧性，使材料具有良好的综合力学性能，具有重要意义[2]。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

参照GJB 1496A- 2000标准制定试验钢的化学成分，如表1所示。

试验钢采用50 kg真空试验炉冶炼，采用高温轧制将铸锭轧制成20 mm厚的钢板。坯料的加热温度设为(1 200±20) ℃，保温时间2 h以上。初轧温度高于1 150 ℃，终轧温度高于1 050 ℃，轧后空冷。试验钢轧态组织为贝氏体和铁素体，如图1所示。钢的热处理工艺为：淬火加热温度920 ℃，保温50 min水淬；回火温度175～375 ℃，保温时间70 min，空冷。

表1 试验钢的化学成分(质量分数)

图1 试验钢的轧态组织

1.2 试验方法

1.2.1 力学性能测试

采用线切割将试验钢加工成横截面为矩形的平板状拉伸试样，在INSTON5982试验机上进行拉伸试验，试样标距为20 mm，应变速率为10-3s-1；取三个尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口冲击试样，在JB- 300B冲击试验机上进行-40 ℃冲击试验；在尺寸为40 mm×40 mm×20 mm的试样抛光面的不同部位测定硬度，取平均值作为该试验钢的硬度值。

1.2.2 微观组织表征

取10 mm×10 mm的方形试样，经过打磨、抛光后，采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在光学显微镜下观察显微组织；用线切割切出厚约300 μm的薄片，经砂纸打磨减薄到30 μm以下，而后冲切成φ3 mm的圆片，再用双喷电解法进一步减薄，制成薄膜试样，在JOEL- 2010型透射电镜下观察其基体组织及析出相；采用S- 3400型扫描电镜对冲击试样断口形貌进行观察。

2 试验结果及讨论

2.1 力学性能

分别对淬火和回火态的试验钢进行力学性能测试，结果如表2所示，括号内为平均值。

表2 试验钢在不同状态下的力学性能

图2 试验钢的力学性能随回火温度的变化

由图2可以看出， 试验钢淬火后的冲击吸收功较低，经低温回火后有所提高，225 ℃回火后达到最大值，回火温度继续升高，冲击吸收功下降；随着回火温度的升高，试验钢的强度和硬度逐渐降低，375 ℃回火使硬度明显降低。

2.2 显微组织

图3是试验钢淬火态显微组织，全部为马氏体，表明试验钢的淬透性良好。

图4为试验钢经不同温度回火后的显微组织，可以看出，回火温度较低时，马氏体板条分解较少，强度和硬度下降较少；在375 ℃回火板条分解增多，所以强度和硬度下降较明显。

2.3 回火温度对试验钢冲击断口形貌的影响

试验钢经不同温度回火后的冲击断口形貌如图5所示。

图3 试验钢的淬火态显微组织

图4 试验钢经不同温度回火后的显微组织

图5 试验钢经不同温度回火后冲击断口的扫描电镜图

由图5可见，试验钢经175～225 ℃回火后，其冲击试样断口上有少量撕裂棱，为准解理型断裂。由于残留奥氏体转变程度较低，其含量较高，所以冲击吸收功相对较高，有一定的韧性储备。当回火温度高于225 ℃时，断口解理面逐渐增多，撕裂棱逐渐变少，冲击吸收功逐渐降低[3]。

2.4 回火组织的透射电镜观察

为了进一步分析试验钢回火过程中的组织变化，采用透射电镜对试验钢的回火态显微组织进行了观察，如图6所示。

图6 试验钢经不同温度回火后的显微组织透射电镜观察

由图6可知，试验钢经175 ℃回火后，晶界处无碳化物析出；随着回火温度升高，析出的ε碳化物逐渐转变为渗碳体，375 ℃回火的试样有较多渗碳体生成[4]。

3 讨论

淬火态试验钢由于内应力较大，冲击吸收功较低，在175～225 ℃回火，主要是消除应力。随着回火温度升高，内应力得到释放，这个阶段马氏体开始分解，残留奥氏体开始转变，析出相形成并开始长大，韧性有所提高，马氏体板条及马氏体内部位错密度逐渐减少，宏观上表现为强度和硬度逐渐降低。

在225～375 ℃回火，随着马氏体板条的不断分解，钢的强度、硬度继续降低，硬度降低更为明显；残留奥氏体不断分解转变，析出的ε碳化物逐渐转变为渗碳体；375 ℃回火的试样有较多渗碳体生成，产生第一类回火脆性，导致试验钢冲击韧性下降[5]。

4 结论

(1)经920 ℃淬火、175～375 ℃回火的22SiMn2TiB超高强度钢，其强度随着回火温度的升高而逐渐降低，冲击吸收功则先升高后降低。在225 ℃回火的试验钢的综合力学性能最好。

(2)该试验钢回火温度低于225 ℃时，由于内应力得到释放，马氏体位错密度降低，钢的冲击吸收功升高；高于225 ℃回火时，析出的ε碳化物逐渐转变为渗碳体，375 ℃回火时晶界处有较多碳化物析出，导致裂纹敏感性增大，产生第一类回火脆性，钢的冲击韧性下降。

[1] 万润根,周细应,罗军明. 防弹钢盔用钢的热处理工艺[J]. 航空制造技术,2002(5):61-62.

[2] 万润根,周细应,罗军明. 40CrMnSiMoVA钢的热处理工艺与性能[J]. 航天工艺,2001(5):4- 6.

[3] 孙通,余建波,李传军,等. 回火工艺对含氮不锈钢30Cr15MoVN组织和性能的影响[J]. 上海金属,2015,37(4):30- 33.

[4] 张文凤. 超高硬韧性耐磨铸钢的研究[D]. 沈阳：沈阳理工大学,2010.

[5] 张睿,崔福洪. 合金结构钢30CrMnSi回火脆性分析及消除措施[J]. 科技风,2010(15):254- 255.

收修改稿日期：2016- 10- 31

Effect of Heat Treatment Process on Microstructure and Mechanical Properties of 22SiMn2TiB Steel

Chen Linheng1Liu Hongwu2,3Wang Qingfeng2,3Xing Lei2,3Liu Wenchuang2,3Yang Liu1

(1. Nanjing Iron & Steel Co.,Ltd, Nanjing Jiangsu 2100352, China; 2. State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China; 3. National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling,Qinhuangdao Hebei 066004, China)

22SiMn2TiB ultra- high strength steel was heat treated by different processes, then was subjected to tension, impact and hardness tests to reveal the effect of tempering temperatures on its mechanical properties. The microstructure of the steel was investigated by using OM and TEM. The results showed that the steel tempered at lower temperature offered higher impact toughness, and that as the tempering temperature increased the impact toughness reduced because of temper brittleness caused by precipitation of cementite in the steel. The investigated steel quenched from 920 ℃ and tempered at 225 ℃ showed good comprehensive mechanical properties

22SiMn2TiB ultra- high strength steel，tempering，microstructure，impact toughness

陈林恒，男，博士，从事耐磨钢、超高强钢和防护钢等产品研发，Email：chenlinheng@njsteel.com.cn