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铬含量对高碳钢65Mn热轧钢带组织和性能的影响

2018-11-23 12:27:50
作者:邬晓燕
来源:理化检验物理分册

铬作为钢中一种重要的合金化元素,能提高钢的淬透性,并且形成合金渗碳体后可以提升钢材的强度、韧性、抗回火性以及耐磨性等,在碳钢中添加适量的铬元素可显著改变铁素体的形态及分布,并能细化晶粒,今天,本文将就铬元素含量对高碳钢65Mn热轧钢带组织和性能的影响展开研究。

    铬作为钢中一种重要的合金化元素,能提高钢的淬透性,并且形成合金渗碳体后可以提升钢材的强度、韧性、抗回火性以及耐磨性等,在碳钢中添加适量的铬元素可显着改变铁素体的形态及分布,并能细化晶粒,今天,本文将就铬元素含量对高碳钢65Mn热轧钢带组织和性能的影响展开研究。


    试验材料与试验方法

 

    1 试验材料

 

    试验材料选用4种高碳钢65Mn热轧钢带,钢中铬含量(质量分数,下同)分别为0.01%,0.10%,0.13%,0.16%,厚度规格为2.5mm,除铬含量外其他生产控制工艺均相同,具体化学成分见表1。


    表1 试验用65Mn钢的化学成分(质量分数)

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    2 试验方法

 

    65Mn钢液采用180t顶底复吹转炉冶炼,连铸生产成230mm(厚)×1280mm(宽)的钢坯,采用1780mm宽热连轧设备轧制为2.5mm(厚)×1250mm(宽)的热轧钢带,取热轧钢带生产样(横向)进行检测。


    在WAW-1000型万能试验机上进行拉伸试验,测试抗拉强度、屈服强度和断后伸长率;在HB-3000型布氏硬度计上检测试样布氏硬度;用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液对抛光金相试样进行侵蚀,在DMI5000M型金相显微镜下观察其显微组织和晶粒度。


    试验结果与讨论

 

    1 铬含量对显微组织的影响

 

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图1 不同铬含量试样的显微组织形貌

 

    由图1可知:所有试样的显微组织都为珠光体+铁素体,但随着铬含量的增加,热轧试样的显微组织趋向细化,尤其是当铬含量增加到0.16%时,组织中出现了粒状贝氏体;当铬含量为0.01%时,显微组织中存在粗大的网状铁素体,并且分布区域较广,随着铬含量的增加,网状铁素体得到弱化,当铬含量达到0.16%时,网状铁素体基本消失。


    2 铬含量对晶粒度的影响

 

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图2 不同铬含量试样的晶粒形貌

 

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图3 不同铬含量试样的晶粒度级别

 

    由图2图3可知:随着铬含量的增加,试样的晶粒尺寸逐渐减小,晶粒度等级则逐渐提高;当铬含量低于0.13%时,铬对热轧试样晶粒的细化作用显着,当铬含量从0.13%增加到0.16%时,铬对晶粒的细化作用逐渐下降。


    3 铬含量对力学性能的影响

 

    图4和图5为不同铬含量试样的力学性能对比,可见随着铬含量从0.01%增加到0.16%,抗拉强度Rm从822MPa增加到999MPa,屈服强度ReL从460MPa增加到633MPa,布氏硬度从245HBW增加到285HBW,而断后伸长率A趋于下降,从29%降低到22%。当铬含量低于0.13%时,随着铬含量的增加,抗拉强度、屈服强度和硬度变化明显,每增加0.01%的铬,对应指标提升值分别为;15.3MPa,17.6MPa,3.8HBW。当铬含量大于0.13%时,随着铬含量的增加,抗拉强度、屈服强度和硬度下降,而断后伸长率提升。


    从强化机理上分析,铬元素提升材料强度是由于铬与α-Fe同为体心立方晶格,且与α-Fe原子半径和电子结构均相近,所以它们在室温下能够无限固溶,铬原子溶入铁素体后,形成置换固溶体,产生固溶强化,从而提升强度。并且铬溶入α-Fe后会引起点阵畸变,阻碍位错运动,增强滑移变形抗力,提升抗拉强度。

 

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图4 不同铬含量试样的拉伸性能

 

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图5 不同铬含量试样的硬度

 

    4 讨论

 

    本研究中随着铬含量的增加,材料的强度和硬度逐渐增加,而塑性降低,可能是由于铬元素使材料内部珠光体的组织结构发生变化,并且碳含量越接近共析点,珠光体组织结构对材料性能的影响越大。因此,65Mn钢的力学性能与显微组织中珠光体的片层间距密切相关,而珠光体片层间距与过冷度的关系如下式所示

 

    S0=(8.02/ΔT)×103(1)

 

    式中;S0为珠光体片层间距,nm;ΔT为过冷度,℃。


    高碳钢中加入合金元素铬,由于铬能起到扩大奥氏体区的作用,使钢的C曲线右移,推迟了奥氏体向珠光体的转变,即在冷却速度不变的情况下,降低了珠光体转变开始温度,增加了转变过冷度。因此随着铬含量的增加,珠光体片层间距得到细化,从而使相界面增多,抗塑性变形能力增强,故强度、硬度提升,这与本文的研究结论一致。另一方面,高碳钢中加入铬元素,使材料产生固溶强化和细晶强化,常温下细晶强化效果比固溶强化作用要明显。经细晶强化后,材料塑性变形的抗力就会增大,这也会导致材料的强度、硬度增加。


    虽然添加铬元素可以通过晶粒细化提升材料的塑性,但同时形成的第二相Cr3C会降低材料的塑性,故而本试验数据显示:随着铬含量从0.01%增加到0.16%,材料的断后伸长率反而由29%下降至22%。随着铬含量的增加塑性值下降,表明高碳钢65Mn中第二相Cr3C对塑性的影响大于细晶强化的影响。当铬含量从0.13%增加到0.16%时,断后伸长率下降变缓,表明当钢中铬含量达到一定值后,第二相对高碳钢塑性的影响效果趋于弱化。


    结论

 

    (1)铬元素可以促进高碳钢65Mn的珠光体转变,细化珠光体片间距,弱化网状铁素体。


    (2)高碳钢65Mn热轧钢带中随着铬含量的增加,晶粒尺寸逐渐减小,晶粒度等级则逐渐提高,从铬含量为0.01%时的8.0级提高到了铬含量为0.16%时的8.8级,且晶粒均匀度提升;当铬含量低于0.13%时,铬对热轧试样晶粒的细化作用显着。


    (3)随着高碳钢65Mn热轧钢带中铬含量从0.01%增加到0.16%,抗拉强度从822MPa增加到999MPa,断后伸长率从29%降低到22%;并且当铬含量低于0.13%时,强化效果明显。


    (4)铬元素通过细化珠光体片层间距来改变材料性能,而第二相Cr3C阻碍材料的韧性变形,二者的共同作用影响着材料的综合力学性能。第二相Cr3C对65Mn热轧钢带塑性的影响大于细晶强化的影响。

 

 

 

 

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责任编辑:王元

 


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标签: 铬含量, 高碳钢, 热轧钢带组织性能

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