16Mn鋼是最常見的壓力容器鍛造材料之一。在壓力容器生產過程中，通過成分設計和冶煉、熱處理等工藝參數調整可以控制材料的成分、組織和性能，最終達到提高材料綜合性能的目的。在日常檢測中，由于影響因素較多，16Mn鋼產品的力學性能檢測結果容易出現異常，導致分析時間較長，進而影響產品的制造周期。目前，研究16Mn鋼鍛件的熱處理制度的相關文獻較多，而研究不同熱處理工藝下16Mn鋼鍛件的力學性能和顯微組織的相關報道較少。來自蘭州蘭石檢測技術有限公司、傳感及檢測技術應用研究中心和甘肅省機械裝備材料表征與安全評價工程實驗室的俄馨、李崗、史偉等研究人員采用熱處理試驗、拉伸試驗、沖擊試驗和金相檢驗等方法，研究了不同熱處理工藝下16Mn鋼鍛件的顯微組織和力學性能，以期為16Mn鋼的理論研究和實際生產提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗用材料為16Mn鋼鍛件(供貨態為正火)，按照制定的熱處理工藝(表1)，采用高溫箱式電阻爐對16Mn鋼鍛件進行熱處理，在室溫下將樣坯裝于爐內，然后按設定的速率升到保溫溫度，保溫一定時間。在正火處理時，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

采用微機控制電子萬能試驗機，對試樣進行拉伸試驗，試樣規格為?10mm，每組設置3個平行試樣，取平均值。采用夏比擺錘沖擊試驗機對試樣進行沖擊試驗，試樣尺寸為10mm ×10mm×55mm，試驗溫度為-20℃，每組設置6個平行試樣。采用布氏硬度試驗機對試樣進行硬度測試，加載力為7.355kN,保載15s。采用光學顯微鏡對試樣進行金相檢驗。采用掃描電鏡(SEM)觀察試樣的沖擊斷口形貌。

2 試驗結果

不同熱處理工藝下16Mn鋼鍛件的力學性能

由表2可見：3-3號試樣的抗拉強度、屈服強度、硬度，3-1號試樣的抗拉強度以及4-3號試樣的屈服強度均不滿足NB/T 47008—2017《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》標準對16Mn鋼鍛件的技術要求，其他試樣的力學性能均符合標準要求。

表2 不同試樣的力學性能

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

圖1 不同正火冷卻方式下16Mn鋼鍛件的力學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號試樣(920℃正火+水冷)沖擊斷口有大量韌窩；2-2號試樣(920℃正火+噴淋)和2-3號試樣(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鋼鍛件的綜合力學性能出現差異，從高到低對應的冷卻方式依次為水冷、噴淋、空冷。采用空冷方式對16Mn鋼鍛件進行冷卻時，由于奧氏體的過冷度較小，轉變溫度較高，元素的擴散能力較強，奧氏體具備發生擴散性相變的條件，所以在該條件下得到的顯微組織為鐵素體+珠光體。采用水冷方式進行冷卻時，冷卻速率較大，奧氏體中碳原子和鐵原子的擴散速率較弱，形成半擴散、半切變型的中溫轉變產物，即貝氏體。貝氏體組織中,存在較多的位錯，強度較高，且基體中分布有細小、彌散的碳化物。因此，采用水冷得到的16Mn鋼鍛件的綜合力學性能最優。

當正火溫度較低時，微量元素的固溶和彌散進行得不充分，晶粒細化對于強度和硬度起主要作用。當正火溫度較高時，晶界弱化，晶粒和彌散的碳化物均有長大傾向，此時細晶強化和彌散強化的作用不

明顯，主要是固溶強化對強度和硬度起主要作用。在920℃正火時，彌散強化、固溶強化、細晶強化達

到最優的平衡狀態，16Mn鋼鍛件在該溫度下進行正火處理后得到的綜合力學性能最優。

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標準對16Mn鋼鍛件的技術要求，這是因為針片狀魏氏組織內存在精細結構，即小塊狀亞晶粒，比等軸狀鐵素體具有較高的位錯密度。根據位錯塞積理論，在位錯運動受阻時，會產生塞積，形成應力集中，當應力集中程度大于材料的強度極限時會形成裂紋。鐵素體內部的亞晶粒導致其晶界明顯增多，假設被阻塞的位錯數一定，則鐵素體界面的位錯較少，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鋼鍛件的抗拉強度、屈服強度和硬度均

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

 (2) 在920℃正火條件下，彌散強化、固溶強化、細晶強化達到最優的平衡狀態，得到的16Mn鋼鍛件的綜合力學性能最優。

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