配分温度和时间对22SiMnCrNi2Mo钢组织和性能的影响

陈涛 王笃雄 丁晓亮

摘 要：本文通过拉伸试验、显微组织观察以及物相分析等方法，研究了配分温度和配分时间对22SiMnCrNi2Mo钢抗拉强度与断后伸长率的影响。结果表明，淬火配分后组织主要为板条状马氏体和少量残余奥氏体。随着配分温度的升高，抗拉强度显著降低，断后伸长率先提高后降低;随着配分时间的延长，抗拉强度降低，而伸长率提高。

关键词：22SiMnCrNi2Mo钢;配分温度;配分时间;残余奥氏体

中图分类号：TG161文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）08-0035-03

Effect on Microstructure and Properties of 22SiMnCrNi2Mo

Steel with Partitioning Temperature and Time

CHEN Tao1 WANG Duxiong1 DING Xiaoliang2

（1.School of Mechanical Engineering Yangzhou University，Yangzhou Jiangsu 225127;

2.Jiangsu Jiekai Electrical Equipment Co.， Ltd.，Yangzhou Jiangsu 225233）

Abstract： In this paper， the effects of partitioning temperature and partitioning time on the tensile strength and elongation after breaking of 22SiMnCrNi2Mo steel are studied through tensile test， microstructure observation and phase analysis..The results show that the microstructure after quenching and partitioning is mainly lath martensite and a small amount of retained austenite.With the increase of partitioning temperature， the tensile strength decreases significantly， and the elongation increases first and then decreases，and the tensile strength decreases with the extension of partitioning time. The elongation increases.

Keywords： 22SiMnCrNi2Mo Steel;partitioning temperature; partition time; retained austenite

淬火配分[1]（Quenching and Partitioning，Q&P）工藝是将试验钢加热奥氏体化后冷却到马氏体开始转变温度和终了转变温度之间等温，碳由马氏体扩散到残余奥氏体，使残余奥氏体稳定而提高塑性的工艺。郭艳辉等[2]研究低碳硅锰钢I&Q&P工艺发现，纳米级残余奥氏体分布在马氏体板条之间和原奥氏体晶界处。陈连生等[3]研究配分温度和时间对低碳硅锰钢组织与性能的影响发现，随着配分的时间延长，抗拉强度和塑形都呈现下降趋势，而随着配分温度的升高，强度和塑形先增加后减小。

22SiMnCrNi2Mo钢用在电力金具上已经获得了专利[4]，其Si、Mn元素的含量也是Q&P工艺的适宜成分。能否通过Q&P工艺进一步改善其塑性，本文主要研究22SiMnCrNi2Mo钢在Ms点下上不同配分温度和时间对其组织与性能的影响。

1 实验材料

实验材料为22SiMnCrNi2Mo钢，其化学成分如表1所示。

2 热处理工艺

用JMatPro软件分析得出22SiMnCrNi2Mo钢奥氏体转变温度为845 ℃，马氏体开始转变温度为331 ℃。热处理工艺为将试验钢加热到880 ℃保温10 min完全奥氏体化后，淬火至180 ℃，然后分别放入200 、260 、320 ℃以及380 ℃进行配分，最后水淬至室温。

按《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010）加工成室温拉伸标准试样，拉伸试样在长春试验机研究所有限公司生产的DMS100万能材料试验机上进行，测出试验钢的力学性能。用德国LEICADMI3000M金相显微镜观察微观组织。用D8 Advance多晶X射线衍射仪进行物相分析，扫描角度[2θ]范围为30°～100°。

3 配分温度和时间对性能影响

图1为配分温度和时间对性能的影响。

图1（a）是配分时间为600 s时不同配分温度对性能的影响，可见随着配分温度的增加，抗拉强度由1 535 MPa逐渐降低到1 351 MPa，且配分温度在260 ℃后，抗拉强度呈线性降低。伸长率随着配分温度升高先增加，320 ℃达到最大15.76%，但在320 ℃以后随配分温度升高而呈下降趋势。

图1（b）是配分温度为320 ℃时不同配分时间对性能的影响，可见60 s内的短时配分对抗拉强度影响不是很大，由1 479 MPa降低至1 472 MPa，当配分时间延长到120 s时，抗拉强度显著降低，由1 472 MPa降低至1 448 MPa，继续延长配分时间发现，对强度的影响基本上微乎其微。而伸长率随配分时间延长而提高，从14.24%提高至15.05%。

4 显微组织

图2为配分时间为600 s时不同配分温度下的光学显微（Optical Microscope，OM）组织。可见，配分温度为200 ℃时[见图2（a）]，组织呈明显的板条马氏体形态，板条较长，板条边界明显;配分温度为260 ℃时[见图2（b）]，组织中板条马氏体变短，局部界面开始模糊，但依然看出板条形态;配分温度为320 ℃时[见图2（c）]，马氏体板条已发生分化，还有部分板条马氏体存在;配分温度为380 ℃时[见图2（d）]，马氏体基体已基本发生分解，组织转变为回火托氏体，但还保留着板条的位向。

5 分析讨论

淬火的终点温度决定初始马氏体和初始奥氏体的体积分数，根据K-M[5]公式可初步算出初始马氏体和初始奥氏体的理论体积分数，由于淬火温度选择是180 ℃，通过计算得到初始马氏体的体积分数含量为80%，初始奥氏体的体积分数为20%。图3是配分时间为600 s时不同配分温度下的X射线衍射（XRD）图。从图3可见，奥氏体峰主要出现在（111）处。根据公式分别计算出残余奥氏体含量，算出200 ，260 ，320 ℃以及380 ℃配分温度下的残余奥氏体的体积分数分别是10.35，12.86，13.82%以及10.37%。理论情况下，初始奥氏体体积分数应该为20%，但实际测得的奥氏体体积分数要少得多，可能原因是实验钢是低碳钢，碳含量较低，在配分过程中，马氏体中的碳并不能完全配分到奥氏体中，部分马氏体发生回火，析出碳化物，消耗了一部分碳，所以部分残余奥氏体不稳定转变成二次马氏体。可以看出，随着配分温度的增加，残余奥氏体体积含量先增加后减少，在320 ℃时，残余奥氏体含量最多，其体积含量变化规律和伸长率变化一致。

配分温度高低决定了碳原子扩散速率，温度越高碳原子扩散速率越快，马氏体中的碳配分到奥氏体中就越多。由于过饱和马氏体中的碳配分到奥氏体中去后，马氏体相发生脱碳软化，而残余奥氏体由于马氏体中碳扩散使其富碳，保留至室温下的残余奥氏体含量增加。实验发现，200 ℃配分强度都在1 500 MPa以上，因为马氏体是硬相，为实验钢提供强度，200 ℃配分的组织板条形貌清晰，基本上没有发现残余奥氏体组织，所以强度高而塑性较低，随着配分温度的增加抗拉强度降低，塑性提高，但配分温度在320 ℃后塑性发生了转折。在320 ℃时，实验钢的综合性能最优，从图2（c）看出板条形貌对于图2（a）中很难分辨出来，原因是温度的增加导致马氏体局部发生分解，同时也伴随着碳化物析出，而残余奥氏体含量在320 ℃时达到了最高，可能是因为配分过程中，马氏体中的碳流动到残余奥氏体和马氏体自回火是同时进行的，强度进一步降低，而塑性由残余奥氏体和回火马氏体共同提供。继续提高配分温度，从图2（d）发现组织已经不是原来的板条形貌，变成了回火屈氏体，主要是由马氏体回火程度来决定试验钢的塑性。在图2的4张图中基本上都可以在基体上看到碳化物析出，说明Si和Mn元素并不能完全抑制碳化物的析出，且碳化物的形成和碳原子从马氏体配分到奥氏体中去是同时进行的。

由于碳从马氏体到奥氏体配分过程是短暂的，长时间的配分使得马氏体回火和奥氏体发生分解。对比工艺发现，配分时间在120 s内主要由残余奥氏体组织决定塑性，随配分时间延长，主要由回火马氏体和奥氏体共同决定。淬火配分工艺的主要目的是在强度不变或略微下降的前提下大幅度提高塑性。实验结果发现，在获得高的塑性下，强度并不能很好保持原来的状态，强度降低可能原因是22SiMnCrNi2Mo钢的Cr和Mo元素是碳化物形成元素，在高温长时配分时碳化物析出，Si、Mn以及Ni元素并不能完全阻碍渗碳体的析出，消耗了碳元素，导致马氏体中碳含量减少，强度降低。但由于第二相的析出又提高一部分强度，所以综合下来，强度略微下降，但塑性提高是因为马氏体发生回火，回火后的马氏体塑性更好，配合保留下来的残余奥氏体，导致塑性大幅提高。

6 结论

随着配分温度的升高，抗拉强度显著降低，断后伸长率先提高后降低。320 ℃配分时断后伸长率最高，其后配分时间延长，抗拉强度逐渐降低，断后伸长率也逐渐降低。

随着配分温度的升高，残余奥氏体的数量增加，但380 ℃配分后又减少，这可能与残余奥氏体分解有关。

参考文献：

[1]SPEER J，MATLOCK D K，COOMAN B，et al.Carbon Partitioning into Austenite After Martensite Transformation[J].Acta Materialia，2003（9）：2611-2622.

[2]郭艷辉，付斌，邓想涛.低碳硅锰钢的Q&P热处理工艺[J].金属热处理，2019（7）：24-27.

[3]陈连生，杨栋，田亚强，等.配分温度对低碳高强Q&P钢组织及力学性能影响[J].材料热处理学报，2014（1）：55-59.

[4]姜世杭，龚俊杰，徐有岩.一种高强韧性输电线路金具及其热处理工艺：10050045.3[P].2019-04-09.

[5]KRAUSS G.Steels：Heat Treatment and Processing Principles[Z].1990.