16Mn鋼是最常見的壓力容器鍛造材料之一。在壓力容器生產(chǎn)過程中，通過成分設(shè)計(jì)和冶煉、熱處理等工藝參數(shù)調(diào)整可以控制材料的成分、組織和性能，最終達(dá)到提高材料綜合性能的目的。在日常檢測(cè)中，由于影響因素較多，16Mn鋼產(chǎn)品的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果容易出現(xiàn)異常，導(dǎo)致分析時(shí)間較長，進(jìn)而影響產(chǎn)品的制造周期。目前，研究16Mn鋼鍛件的熱處理制度的相關(guān)文獻(xiàn)較多，而研究不同熱處理工藝下16Mn鋼鍛件的力學(xué)性能和顯微組織的相關(guān)報(bào)道較少。來自蘭州蘭石檢測(cè)技術(shù)有限公司、傳感及檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究中心和甘肅省機(jī)械裝備材料表征與安全評(píng)價(jià)工程實(shí)驗(yàn)室的俄馨、李崗、史偉等研究人員采用熱處理試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)等方法，研究了不同熱處理工藝下16Mn鋼鍛件的顯微組織和力學(xué)性能，以期為16Mn鋼的理論研究和實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用材料為16Mn鋼鍛件(供貨態(tài)為正火)，按照制定的熱處理工藝(表1)，采用高溫箱式電阻爐對(duì)16Mn鋼鍛件進(jìn)行熱處理，在室溫下將樣坯裝于爐內(nèi)，然后按設(shè)定的速率升到保溫溫度，保溫一定時(shí)間。在正火處理時(shí)，分別采用水冷、噴淋及空冷等3種冷卻方式。

表1 16Mn鋼鍛件的熱處理工藝

采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣規(guī)格為?10mm，每組設(shè)置3個(gè)平行試樣，取平均值。采用夏比擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為10mm ×10mm×55mm，試驗(yàn)溫度為-20℃，每組設(shè)置6個(gè)平行試樣。采用布氏硬度試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，加載力為7.355kN,保載15s。采用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。采用掃描電鏡(SEM)觀察試樣的沖擊斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果

不同熱處理工藝下16Mn鋼鍛件的力學(xué)性能

由表2可見：3-3號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度，3-1號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度以及4-3號(hào)試樣的屈服強(qiáng)度均不滿足NB/T 47008—2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)16Mn鋼鍛件的技術(shù)要求，其他試樣的力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 不同試樣的力學(xué)性能

由圖1可見：在相同正火溫度下，隨著正火冷卻速率的提高，試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，斷后伸長率呈下降趨勢(shì)，斷面收縮率的變化不明顯；-20℃沖擊吸收功均高于標(biāo)準(zhǔn)值(不小于41J)；16Mn鋼鍛件在920℃正火條件下得到的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。

圖1 不同正火冷卻方式下16Mn鋼鍛件的力學(xué)性能隨正火溫度的變化

不同熱處理工藝下16Mn鋼鍛件的顯微組織

 由圖2可見：2-1號(hào)試樣(920℃正火+水冷)的顯微組織為均勻的貝氏體回火組織+少量鐵素體；2-2號(hào)試樣(920℃正火+噴淋)的顯微組織為貝氏體回火組織+魏氏組織(鐵素體型)；2-3號(hào)試樣(920℃正火+空冷)的顯微組織為塊狀鐵素體+魏氏組織(鐵素體型)+珠光體組織。

圖2 在920℃正火+不同冷卻方式條件下16Mn鋼鍛件的顯微組織

不同熱處理工藝下16Mn鋼鍛件的沖擊斷口形貌

由圖3可見：2-1號(hào)試樣(920℃正火+水冷)沖擊斷口有大量韌窩；2-2號(hào)試樣(920℃正火+噴淋)和2-3號(hào)試樣(920℃正火+空冷)沖擊斷口均為解理斷口形貌。

圖3 在920℃正火+不同冷卻方式條件下16Mn鋼鍛件的沖擊斷口形貌

3 分析與討論

在相同正火溫度下，采用不同冷卻方式冷卻后，16Mn鋼鍛件的綜合力學(xué)性能出現(xiàn)差異，從高到低對(duì)應(yīng)的冷卻方式依次為水冷、噴淋、空冷。采用空冷方式對(duì)16Mn鋼鍛件進(jìn)行冷卻時(shí)，由于奧氏體的過冷度較小，轉(zhuǎn)變溫度較高，元素的擴(kuò)散能力較強(qiáng)，奧氏體具備發(fā)生擴(kuò)散性相變的條件，所以在該條件下得到的顯微組織為鐵素體+珠光體。采用水冷方式進(jìn)行冷卻時(shí)，冷卻速率較大，奧氏體中碳原子和鐵原子的擴(kuò)散速率較弱，形成半擴(kuò)散、半切變型的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，即貝氏體。貝氏體組織中,存在較多的位錯(cuò)，強(qiáng)度較高，且基體中分布有細(xì)小、彌散的碳化物。因此，采用水冷得到的16Mn鋼鍛件的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。

當(dāng)正火溫度較低時(shí)，微量元素的固溶和彌散進(jìn)行得不充分，晶粒細(xì)化對(duì)于強(qiáng)度和硬度起主要作用。當(dāng)正火溫度較高時(shí)，晶界弱化，晶粒和彌散的碳化物均有長大傾向，此時(shí)細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用不

明顯，主要是固溶強(qiáng)化對(duì)強(qiáng)度和硬度起主要作用。在920℃正火時(shí)，彌散強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化達(dá)

到最優(yōu)的平衡狀態(tài)，16Mn鋼鍛件在該溫度下進(jìn)行正火處理后得到的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。

16Mn鋼鍛件在920℃正火+噴淋或空冷條件下得到的組織中均有魏氏組織(鐵素體型)，故其沖擊吸收功低于920℃正火+水冷條件下的沖擊吸收功，但其沖擊吸收功仍高于NB/T 47008—2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)16Mn鋼鍛件的技術(shù)要求，這是因?yàn)獒樒瑺钗菏辖M織內(nèi)存在精細(xì)結(jié)構(gòu)，即小塊狀亞晶粒，比等軸狀鐵素體具有較高的位錯(cuò)密度。根據(jù)位錯(cuò)塞積理論，在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生塞積，形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中程度大于材料的強(qiáng)度極限時(shí)會(huì)形成裂紋。鐵素體內(nèi)部的亞晶粒導(dǎo)致其晶界明顯增多，假設(shè)被阻塞的位錯(cuò)數(shù)一定，則鐵素體界面的位錯(cuò)較少，這可能是在920℃正火+噴淋或空冷條件下16Mn鋼鍛件沖擊性能較好的原因。

4結(jié)論

(1) 在相同正火溫度下，隨著正火冷卻速率的提高，16Mn鋼鍛件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均

呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，斷后伸長率呈下降趨勢(shì)，斷面收縮率的變化不明顯，-20℃沖擊吸收功均高于標(biāo)準(zhǔn)值(不小于41J)。

 (2) 在920℃正火條件下，彌散強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化達(dá)到最優(yōu)的平衡狀態(tài)，得到的16Mn鋼鍛件的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。

(3) 在相同正火溫度下，采取水冷方式進(jìn)行冷卻后，16Mn鋼鍛件的綜合力學(xué)性能優(yōu)于其他兩種冷卻方式(噴淋、空冷)獲得的鍛件綜合力學(xué)性能，其組織為貝氏體+少量鐵素體。