16Mn钢锻件的力学性能和显微组织的研究报道

16Mn钢是压力容器最常见的锻造材料之一。在压力容器生产过程中，可以通过成分设计和熔炼、热处理等工艺参数调整来控制材料的成分、结构和性能，最终达到提高材料综合性能的目的。在日常测试中，由于影响因素众多，16Mn钢产品的力学性能容易出现异常，导致分析时间过长，进而影响产品的制造周期。目前，关于16Mn钢锻件热处理体系的相关文献较多，但关于16Mn钢锻件在不同热处理工艺下的力学性能和组织的报道较少。兰州蓝氏检测技术有限公司、传感与测试技术应用研究中心、甘肃省机械设备材料表征与安全评价工程实验室的研究人员采用热处理试验、拉伸试验、冲击试验和金相试验等方法，研究了16Mn钢锻件在不同热处理工艺下的显微组织和力学性能，以期为理论研究和化学研究提供参考。实际生产16Mn钢。

测试材料和方法

测试材料为16Mn钢锻件（

供料状态归一化），根据配制的热处理工艺（表1），将16Mn钢锻件经高温箱式电阻炉热处理，将样品坯料在室温下装入炉内，然后以设定的速率升温至保温一定时间。在正火处理中，使用三种冷却方式：水冷、喷雾和风冷。

表1 16Mn钢锻件的热处理工艺

采用微机控制的电子万能试验机对试样进行拉伸试验，试样规格为φ10mm，每组设置3个平行试样，取平均值。试样冲击试验采用简支梁摆锤冲击试验机进行，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，试验温度为-20°C，每组设置6个平行试样。采用布氏硬度计对试样硬度进行测试，加载力为7.355kN，载荷为15s。光学显微镜用于对试样进行金相检查。采用扫描电子显微镜（SEM）观察试件的冲击断裂形貌。

测试结果

不同热处理工艺下16Mn钢锻件的力学性能

从表2可以看出，试样3-3的抗拉强度

、屈服强度和硬度，试样3-1的抗拉强度和

试样4-3的屈服强度不符合NB/T 47008-2017《压力设备用碳钢和合金钢锻件》标准对16Mn钢锻件的技术要求，其他试样的力学性能符合标准要求。

表2 不同试样的力学性能

它

从图1可以看出，在相同的正火温度下，随着正火冷却速率的增加，试样的抗拉强度、屈服强度和硬度呈上升趋势，断裂后的伸长率呈下降趋势，截面收缩率变化不明显。-20°C冲击吸收功高于标准值（不小于41J）;16Mn钢锻件在920°C正火条件下的综合力学性能最好。

图1 不同正火冷却方式下16Mn钢锻件随正火温度的变化

不同热处理工艺下16Mn钢锻件的显微组织

从图2可以看出，样品2-1（920°C正火+水冷）的微观结构为均匀贝氏体回火组织+少量铁素体;样品2-2（920°C正火+喷涂）的显微组织为贝氏体回火组织+韦氏体结构（铁氧体型）;样品2-3（920°C正火+风冷）的显微组织为块状铁氧体+韦氏（铁氧体型）+珠光体结构。

图2 920°C正火+不同冷却方式条件下16Mn钢锻件的显微组织

不同热处理工艺下16Mn钢锻件冲击断裂形貌

从图3可以看出，试样2-1（920°C正火+水冷）在冲击断裂处有大量凹坑;样品2-2（920°C正火+喷淋）和2-3样品（920°C正火+风冷）的冲击断裂均为解理断裂。

图3 16Mn钢锻件在920°C正火+不同冷却方式下的冲击断裂形貌

分析与讨论

在相同的正火温度下，采用不同的冷却方式冷却后，16Mn钢锻件的综合力学性能不同，对应的冷却方式从高到低依次为水冷、喷淋和风冷。当16Mn钢锻件经风冷冷却时，由于奥氏体的过冷度小，转变温度高，元素的扩散能力强，奥氏体具有弥散相变的条件，因此在此条件下得到的显微组织为铁素体+珠光体。采用水冷冷却方式时，冷却速率大，奥氏体中碳原子和铁原子的扩散速率较弱，形成半扩散、半剪切型中温转变产物，即贝氏体。在贝氏体结构中，位错较多，强度较高，基体中分布有细小的弥漫碳化物。因此，水冷得到的16Mn钢锻件的综合力学性能是最好的。

当正火温度较低时，微量元素的溶解和扩散没有充分进行，晶粒细化对强度和硬度起着重要作用。当正火温度较高时，晶界变弱，晶粒和弥散碳化物有生长趋势，此时没有细晶强化和扩散强化的效果

显然，主要是固溶强化在强度和硬度中起着重要作用。在920°C时，可进行正火、扩散强化、固溶强化和细晶粒强化

在最佳平衡状态下，正火后得到的16Mn钢锻件的综合力学性能最好。

16Mn钢锻件采用韦氏结构

（铁氧体型）在920°C正火+喷淋或风冷条件下得到的显微组织，因此其冲击吸收功低于920°C正火+水冷条件，但其冲击吸收功仍高于NB/T 47008-2017标准对16Mn钢锻件的技术要求，因为针状韦氏结构中有精细的组织， 即小的亚晶粒，其位错密度高于等轴铁氧体。根据位错堵塞产物理论，当位错运动受阻时，会产生堵塞产物，并形成应力集中，当应力集中大于材料的强度极限时，就会形成裂纹。铁氧体内部的亚晶体导致其晶界显著增加，如果阻挡位错的数量恒定，则铁氧体界面处的位错较少，这可能是16Mn钢锻件在920°C正火+喷涂或风冷条件下冲击性能更好的原因。

结论

（1）在相同的正火温度下，随着正火冷却速度的增加，16Mn钢锻件的抗拉强度、屈服强度和硬度均相等

断裂后伸长率显示呈上升趋势，

断裂后伸长率呈下降趋势，截面收缩率变化不明显，-20°C时冲击吸收功高于标准值（不小于41J）。

（2）在920°C正火条件下，扩散强化、固溶强化和细晶强化达到最佳平衡状态，得到的16Mn钢锻件综合力学性能最佳。

（3）在相同的正火温度下，16Mn钢锻件的综合力学性能优于水冷冷却后通过其他两种冷却方式（喷雾和风冷）获得的力学性能，其组织为贝氏体+少量铁素体。

作者：OI Xin1,2，LI Gang1,2，SHI Wei1,2,3，LI Zhixia1,2，LI Jinmei1,2,3，LI Yaxin1,2,3

单位：1.兰州市兰氏检测技术有限公司;

2. 传感与测试技术应用研究中心;

3. 甘肃省机械装备材料表征与安全评价工程实验室。