鉻作為鋼中一種重要的合金化元素，能提高鋼的淬透性，并且形成合金滲碳體后可以提升鋼材的強(qiáng)度、韌性、抗回火性以及耐磨性等，在碳鋼中添加適量的鉻元素可顯著改變鐵素體的形態(tài)及分布，并能細(xì)化晶粒，今天，本文將就鉻元素含量對高碳鋼65Mn熱軋鋼帶組織和性能的影響展開研究。

    試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

    1 試驗(yàn)材料

    試驗(yàn)材料選用4種高碳鋼65Mn熱軋鋼帶，鋼中鉻含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）分別為0.01％，0.10％，0.13％，0.16％，厚度規(guī)格為2.5mm，除鉻含量外其他生產(chǎn)控制工藝均相同，具體化學(xué)成分見表1。

    表1 試驗(yàn)用65Mn鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

    2 試驗(yàn)方法

    65Mn鋼液采用180t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉，連鑄生產(chǎn)成230mm（厚）×1280mm（寬）的鋼坯，采用1780mm寬熱連軋?jiān)O(shè)備軋制為2.5mm（厚）×1250mm（寬）的熱軋鋼帶，取熱軋鋼帶生產(chǎn)樣（橫向）進(jìn)行檢測。

    在WAW-1000型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測試抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率；在HB-3000型布氏硬度計(jì)上檢測試樣布氏硬度；用4％（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸酒精溶液對拋光金相試樣進(jìn)行侵蝕，在DMI5000M型金相顯微鏡下觀察其顯微組織和晶粒度。

    試驗(yàn)結(jié)果與討論

    1 鉻含量對顯微組織的影響

圖1 不同鉻含量試樣的顯微組織形貌

    由圖1可知：所有試樣的顯微組織都為珠光體＋鐵素體，但隨著鉻含量的增加，熱軋?jiān)嚇拥娘@微組織趨向細(xì)化，尤其是當(dāng)鉻含量增加到0.16％時(shí)，組織中出現(xiàn)了粒狀貝氏體；當(dāng)鉻含量為0.01％時(shí)，顯微組織中存在粗大的網(wǎng)狀鐵素體，并且分布區(qū)域較廣，隨著鉻含量的增加，網(wǎng)狀鐵素體得到弱化，當(dāng)鉻含量達(dá)到0.16％時(shí)，網(wǎng)狀鐵素體基本消失。

    2 鉻含量對晶粒度的影響

圖2 不同鉻含量試樣的晶粒形貌

圖3 不同鉻含量試樣的晶粒度級別

    由圖2圖3可知：隨著鉻含量的增加，試樣的晶粒尺寸逐漸減小，晶粒度等級則逐漸提高；當(dāng)鉻含量低于0.13％時(shí)，鉻對熱軋?jiān)嚇泳Я５募?xì)化作用顯著，當(dāng)鉻含量從0.13％增加到0.16％時(shí)，鉻對晶粒的細(xì)化作用逐漸下降。

    3 鉻含量對力學(xué)性能的影響

    圖4和圖5為不同鉻含量試樣的力學(xué)性能對比，可見隨著鉻含量從0.01％增加到0.16％，抗拉強(qiáng)度Rm從822MPa增加到999MPa，屈服強(qiáng)度ReL從460MPa增加到633MPa，布氏硬度從245HBW增加到285HBW，而斷后伸長率A趨于下降，從29％降低到22％。當(dāng)鉻含量低于0.13％時(shí)，隨著鉻含量的增加，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度變化明顯，每增加0.01％的鉻，對應(yīng)指標(biāo)提升值分別為；15.3MPa，17.6MPa，3.8HBW。當(dāng)鉻含量大于0.13％時(shí)，隨著鉻含量的增加，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度下降，而斷后伸長率提升。

    從強(qiáng)化機(jī)理上分析，鉻元素提升材料強(qiáng)度是由于鉻與α-Fe同為體心立方晶格，且與α-Fe原子半徑和電子結(jié)構(gòu)均相近，所以它們在室溫下能夠無限固溶，鉻原子溶入鐵素體后，形成置換固溶體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，從而提升強(qiáng)度。并且鉻溶入α-Fe后會(huì)引起點(diǎn)陣畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)滑移變形抗力，提升抗拉強(qiáng)度。

圖4 不同鉻含量試樣的拉伸性能

圖5 不同鉻含量試樣的硬度

    4 討論

    本研究中隨著鉻含量的增加，材料的強(qiáng)度和硬度逐漸增加，而塑性降低，可能是由于鉻元素使材料內(nèi)部珠光體的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并且碳含量越接近共析點(diǎn)，珠光體組織結(jié)構(gòu)對材料性能的影響越大。因此，65Mn鋼的力學(xué)性能與顯微組織中珠光體的片層間距密切相關(guān)，而珠光體片層間距與過冷度的關(guān)系如下式所示

    S0＝（8.02/ΔT）×103（1）

    式中；S0為珠光體片層間距，nm；ΔT為過冷度，℃。

    高碳鋼中加入合金元素鉻，由于鉻能起到擴(kuò)大奧氏體區(qū)的作用，使鋼的C曲線右移，推遲了奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變，即在冷卻速度不變的情況下，降低了珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度，增加了轉(zhuǎn)變過冷度。因此隨著鉻含量的增加，珠光體片層間距得到細(xì)化，從而使相界面增多，抗塑性變形能力增強(qiáng)，故強(qiáng)度、硬度提升，這與本文的研究結(jié)論一致。另一方面，高碳鋼中加入鉻元素，使材料產(chǎn)生固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化，常溫下細(xì)晶強(qiáng)化效果比固溶強(qiáng)化作用要明顯。經(jīng)細(xì)晶強(qiáng)化后，材料塑性變形的抗力就會(huì)增大，這也會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度、硬度增加。

    雖然添加鉻元素可以通過晶粒細(xì)化提升材料的塑性，但同時(shí)形成的第二相Cr3C會(huì)降低材料的塑性，故而本試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：隨著鉻含量從0.01％增加到0.16％，材料的斷后伸長率反而由29％下降至22％。隨著鉻含量的增加塑性值下降，表明高碳鋼65Mn中第二相Cr3C對塑性的影響大于細(xì)晶強(qiáng)化的影響。當(dāng)鉻含量從0.13％增加到0.16％時(shí)，斷后伸長率下降變緩，表明當(dāng)鋼中鉻含量達(dá)到一定值后，第二相對高碳鋼塑性的影響效果趨于弱化。

    結(jié)論

    （1）鉻元素可以促進(jìn)高碳鋼65Mn的珠光體轉(zhuǎn)變，細(xì)化珠光體片間距，弱化網(wǎng)狀鐵素體。

    （2）高碳鋼65Mn熱軋鋼帶中隨著鉻含量的增加，晶粒尺寸逐漸減小，晶粒度等級則逐漸提高，從鉻含量為0.01％時(shí)的8.0級提高到了鉻含量為0.16％時(shí)的8.8級，且晶粒均勻度提升；當(dāng)鉻含量低于0.13％時(shí)，鉻對熱軋?jiān)嚇泳Я５募?xì)化作用顯著。

    （3）隨著高碳鋼65Mn熱軋鋼帶中鉻含量從0.01％增加到0.16％，抗拉強(qiáng)度從822MPa增加到999MPa，斷后伸長率從29％降低到22％；并且當(dāng)鉻含量低于0.13％時(shí)，強(qiáng)化效果明顯。

    （4）鉻元素通過細(xì)化珠光體片層間距來改變材料性能，而第二相Cr3C阻礙材料的韌性變形，二者的共同作用影響著材料的綜合力學(xué)性能。第二相Cr3C對65Mn熱軋鋼帶塑性的影響大于細(xì)晶強(qiáng)化的影響。

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