回火对42CrNiMo6钢韧脆转变温度的影响

赵 亮，邹 鹏，王飞宇，陈丽娟，闫 卓，雍建华，金 星

(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869)

42CrNiMo6是一种中碳铬镍钼合金结构钢，热处理制度为调质处理，热处理后具有良好的综合力学性能[1]，如较高的强度和韧性匹配，良好的淬透性和抗过热的稳定性，被广泛应用于高负荷、大截面的轴类以及承受冲击载荷的零件，例如大型发电机和汽轮机转子，通风机和鼓风机的高强度紧固件。近年来，随着我国风机行业的发展，低温气体工况机组需求不断增加，对紧固件的低温韧性要求也越高，尤其是紧固件的韧脆转变温度应低于工况温度，才不会发生脆性断裂，保证机组长期稳定运行[2]。

目前，材料的韧脆转变温度是指50%FATT对应的温度，即材料的夏比冲击V形缺口的断口形貌为50%的剪切断面率对应的试验温度[3]。本文通过研究不同回火温度与材料强度和低温韧性的关系，确定材料的韧脆转变温度，为制定材料不同强度等级的低温使用规则提供参考数据。

1 试验材料和方法

本试验材料为42CrNiMo6钢，电渣重熔后锻造成型，试验材料规格为φ120 mm×360 mm。该材料的Ac1=710 ℃，Ac3=780 ℃，化学成分见表1。

表1 42CrNiMo6试样化学成分(质量分数，%)

淬火采用RX3-45-12高温箱式电阻加热炉，回火采用RTX75-9专用回火电阻炉。选取三个相同规格试验材料进行热处理，淬火温度为850 ℃，回火温度分别为590、620和650 ℃，具体工艺参数如图1所示。

图1 热处理工艺参数Fig.1 Heat treatment process parameter

2 试验结果和分析

2.1 力学性能

试验材料调质后，在表面处切取纵向力学性能试样，拉伸试样的平行部分直径为φ6 mm，在RAS250万能试验机上按GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》进行拉伸试验。冲击试验按GB/T 229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行检验，加工成尺寸为10 mm×10 mm×55 mm夏比V型缺口冲击试样，缺口深度为2 mm。室温和低温冲击试验在JBN-300B冲击试验机上进行，低温试验方法为：试样在酒精和液氮中冷却到低于试验温度2～3 ℃，待温度稳定后迅速取出进行冲击试验。布氏硬度按GB/T 231《金属布氏硬度试验方法》进行检验。不同回火温度下合金强度和塑性测试结果见表2，夏比V形缺口冲击吸收功见表3。每个性能测试3个试样，取其平均值。

可以看出，随着回火温度的升高，钢的强度和硬度明显下降，塑性有所升高，而冲击韧性明显升高；然而，随着试验回火温度的降低，钢的低温韧性明显下降。

2.2 金相显微组织

在冲击试样上切取金相试样，依次进行粗磨、细磨、抛光和侵蚀，侵蚀液采用3%～5%硝酸酒精。在META VAL型倒立式显微镜观察金相显微组织(见图2)。从图中可以看出，590～650 ℃回火后，钢的组织为回火索氏体，局部分布残余奥氏体[4]。

表2 不同回火温度下试样强度和塑性

表3 不同回火温度下夏比V形缺口冲击吸收功

2.3 冲击断口形貌

利用Zeiss Supra55型扫描电子显微镜对590 ℃回火后-70 ℃冲击断口、620 ℃回火后-30 ℃冲击断口和650 ℃回火后室温冲击断口进行形貌分析，见图3。从图中可以看出，590 ℃回火后-70 ℃冲击断口形貌以准解理断裂为主，其中解理平台较小局部产生撕裂棱[5]，这是因为该低温冲击时，冲击吸收功比较低；在620 ℃回火后-30 ℃低温冲击时，冲击吸收功有所提高，导致其断口形貌含有准解理和韧窝；而650 ℃回火后室温冲击时，断口形貌为韧性断裂，属于微孔聚集性断裂，有一定数量的韧窝纤维，这是因为其冲击吸收功提高较明显。

(a)590 ℃回火；(b)620 ℃；(c)650 ℃回火图2 调质后试验材料金相组织(a)tempering at 590 ℃；(b)tempering at 620 ℃；(c)tempering at 650 ℃Fig.2 Microstructure of of test materials after quenching and tempering

(a)590 ℃回火后-70 ℃；(b)620 ℃回火后-30 ℃；(c)650 ℃回火后室温图3 冲击断口形貌(a)-70 ℃after tempering at 590 ℃；(b)-30 ℃after tempering at 620 ℃；(c) room temperature after tempering at 650 ℃Fig.3 Impact fracture morphology

2.4 不同回火温度的韧脆转变温度

根据GB/T 229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》附录C内容，50%FATT对应的温度为材料的韧脆转变温度。测量断口闪亮部分的长度和宽度，为解理断裂部分，如图4所示。

不同温度回火后钢的低温冲击断口的剪切断面率如表4所示。

从断口宏观形貌分析可知，当冲击吸收功达到100 J时，晶状断面率为10%，断口几乎为纤维状；当冲击吸收功低于30 J时，断口几乎为结晶状。根据50%FATT面积对应的冲击吸收功，一般约为50 J，由此推算，590 ℃回火的韧脆转变温度为室温，620 ℃回火的韧脆转变温度为-50 ℃，而650 ℃回火的韧脆转变温度为-70 ℃。

图4 剪切断面率的百分比尺寸Fig.4 The percentage size of shear section ratio

表4 不同回火温度下试样的夏比V形缺口剪切断面率

3 结论

对42CrNiMo6钢进行了不同回火温度的调质试验研究，并进行了力学性能测试以及金相和冲击断口形貌分析，得出以下结论：

1)当淬火温度不变时，随着回火温度的升高，材料的强度和硬度下降，冲击吸收功提高，塑性有所增加。

2)材料的冲击吸收功、剪切断面率、韧脆转变温度存在一定的对应关系，50%FATT剪切断面率等效于50 J的夏比V型缺口的冲击吸收功。

3)42CrNiMo6钢的590 ℃回火韧脆转变温度为室温，620 ℃回火韧脆转变温度为-50 ℃，650 ℃回火韧脆转变温度为-70 ℃。

4)在紧固件选材和制造过程中，应保证材料的韧脆转变温度低于零件工况温度，尤其是低温工况下，可以通过降低材料的强度来保证低温韧性。