基于30CrMnSiNi2A优化材料的相变规律及力学性能研究

发布时间：2021-03-22

　　摘要:针对30CrMnSiNi2A添加Mo和V，提高Ni含量，制成试验材料，测试了不同冷却速度的相变温度并绘制了连续冷却转变曲线，研究了材料的力学性能，重点分析了在20℃、-20℃、-40℃和-60℃测试环境下的冲击吸收能量。结果表明，试验材料具有较好的热处理特性和低温韧性。

　　关键词:30CrMnSiNi2A;高强度钢;连续冷却转变曲线;力学性能;低温韧性

　　30CrMnSiNi2A钢是我国广泛使用的一种超高强度钢，是一种综合性能优良的航空结构材料。国内对该材料已经开展了较为广泛的研究，袁书强等[1]研究了Ni含量约为1.8%的30CrMnSiNi2A钢的力学性能，李志宏等[2]研究了等温时间对30CrMnSiNi2A钢力学性能的影响。目前高强度钢在低温环境应用越来越多，对材料提出了较高的低温韧性要求，因此有必要优化材料成分，研究其低温韧性。

　　以30CrMnSiNi2A钢为基础，通过提高Ni元素含量，添加Mo和V元素，提高钢的强度、韧性和塑性，增强淬透性，设计了新的试验材料。通过开展试验材料的相变温度测试试验，掌握相变规律，绘制了材料的连续冷却转变曲线。同时研究了材料的低温韧性，对于该材料在低温环境的应用具有重要意义。

　　1试验材料及方案

　　由真空感应熔炼炉制备约50kg的试验钢锭，经锻造变形及锻后热处理，制成锻坯试块，材料化学成分如表1所示。

　　利用Formstor-FⅡ全自动热膨胀相变仪测试相变温度，试样规格为?3mm×10mm。试样加热速度均为0.1℃?s，奥氏体化温度950℃，保温时间20min，冷却速度分别为5℃?s、3℃?s、2℃?s、1℃?s、0.5℃?s、0.2℃?s、0.1℃?s、0.05℃?s、0.02℃?s、0.013℃?s、0.01℃?s，冷却速度包含研究钢种实际冷却速度范围。开展30CrMnSiNi2MoV钢的热处理试验，试样规格25mm×25mm×180mm，奥氏体化加热温度880℃，保温2h后油冷淬火。试样回火温度220℃，保温时间4h，回火完成后空冷处理。利用光学显微镜观察相变试样和热处理试样的金相组织。

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　　2试验结果与分析

　　2.1相变温度分析

　　测试材料在0.01～5℃?s共11种冷速条件下的相变温度，检测相变试样的金相组织和维氏硬度。试验材料的连续冷却转变曲线如图1所示。可以看出，试验材料的Ac1为729℃，Ac3为810℃，Ms为310℃。典型相变试样的金相组织如

　　当冷速大于0.2℃?s时，相变试样主要由板条状和片状马氏体组织组成，硬度范围为508～535HV。冷速介于0.2℃?s和0.02℃?s之间，全部为贝氏体组织，且随着冷却速度的降低，贝氏体由条状转变为粒状，硬度范围389～407HV。冷速小于0.02℃?s时，试样组织主要为贝氏体+少量铁素体，硬度范围350～375HV。

　　试验材料中由于Mn、Ni等元素的存在，推迟了珠光体的转变和形成[3]，能在较宽的冷却速度范围内获得完全的贝氏体或马氏体组织，具有较好的热处理特性，适合于制作厚截面的铸锻件产品。

　　2.2低温韧性研究

　　低合金高强度钢一般热处理制度是淬火后低温回火，且30CrMnSiNi2A钢在200～300℃之间有一个较宽的回火温度区可保持力学性能的稳定[4]，为此设计了试验材料回火温度为220℃的热处理试验，并开展低温韧性测试。

　　表2为试验材料的力学性能数据，试样屈服强度为1384MPa，抗拉强度为1626MPa，屈强比为0.85。

　　性能试样的金相组织如图3所示。试样依然保持淬火马氏体的板条状形态，属于回火马氏体组织。对于高强度钢来说，这是一种比较理想的组织，可保证工件强度较高的同时，还有一定的韧性匹配。

　　在20℃、-20℃、-40℃和-60℃温度条件下测试材料的韧性指标，测试结果如图4所示。可以看出随测试温度降低，试验材料的冲击吸收能量呈缓慢下降趋势。在-60℃测试环境中，KU2为50.3J，KV2为36.8J，依然表现出较好的韧性。

　　3结论

　　(1)基于30CrMnSiNi2A提高Ni含量，添加Mo和V，优化的试验材料具有较好的热处理特性，当冷速介于0.02℃?s和5℃?s之间时，可获得完全的贝氏体或马氏体组织。

　　(2)试验材料抗拉强度可达1626MPa，且在低温环境具有较好的冲击韧性，材料在-60℃时，KU2可达50.3J，KV2可达36.8J。——论文作者：庞庆海1，2何春静1，2郎庆斌1，2