16Mn钢是最常见的压力容器锻造材料之一。在压力容器生产过程中，通过成分设计和冶炼、热处理等工艺参数调整可以控制材料的成分、组织和性能，最终达到提高材料综合性能的目的。在日常检测中，由于影响因素较多，16Mn钢产品的力学性能检测结果容易出现异常，导致分析时间较长，进而影响产品的制造周期。目前，研究16Mn钢锻件的热处理制度的相关文献较多，而研究不同热处理工艺下16Mn钢锻件的力学性能和显微组织的相关报道较少。来自兰州兰石检测技术有限公司、传感及检测技术应用研究中心和甘肃省机械装备材料表征与安全评价工程实验室的俄馨、李岗、史伟等研究人员采用热处理试验、拉伸试验、冲击试验和金相检验等方法，研究了不同热处理工艺下16Mn钢锻件的显微组织和力学性能，以期为16Mn钢的理论研究和实际生产提供参考。
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试验材料与方法
试验用材料为16Mn钢锻件(供货态为正火)，按照制定的热处理工艺(表1)，采用高温箱式电阻炉对16Mn钢锻件进行热处理，在室温下将样坯装于炉内，然后按设定的速率升到保温温度，保温一定时间。在正火处理时，分别采用水冷、喷淋及空冷等3种冷却方式。
表Mn钢锻件的热处理工艺
采用微机控制电子万能试验机，对试样进行拉伸试验，试样规格为?10mm，每组设置3个平行试样，取平均值。采用夏比摆锤冲击试验机对试样进行冲击试验，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，试验温度为-20℃，每组设置6个平行试样。采用布氏硬度试验机对试样进行硬度测试，加载力为7.kN,保载15s。采用光学显微镜对试样进行金相检验。采用扫描电镜(SEM)观察试样的冲击断口形貌。
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试验结果
不同热处理工艺下16Mn钢锻件的力学性能
由表2可见：3-3号试样的抗拉强度、屈服强度、硬度，3-1号试样的抗拉强度以及4-3号试样的屈服强度均不满足NB/T—《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》标准对16Mn钢锻件的技术要求，其他试样的力学性能均符合标准要求。
表2不同试样的力学性能
由图1可见：在相同正火温度下，随着正火冷却速率的提高，试样的抗拉强度、屈服强度和硬度均呈现上升趋势，断后伸长率呈下降趋势，断面收缩率的变化不明显；-20℃冲击吸收功均高于标准值(不小于41J)；16Mn钢锻件在℃正火条件下得到的综合力学性能最优。
图1不同正火冷却方式下16Mn钢锻件的力学性能随正火温度的变化
不同热处理工艺下16Mn钢锻件的显微组织
由图2可见：2-1号试样(℃正火+水冷)的显微组织为均匀的贝氏体回火组织+少量铁素体；2-2号试样(℃正火+喷淋)的显微组织为贝氏体回火组织+魏氏组织(铁素体型)；2-3号试样(℃正火+空冷)的显微组织为块状铁素体+魏氏组织(铁素体型)+珠光体组织。
图2在℃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钢锻件的冲击断口形貌
由图3可见：2-1号试样(℃正火+水冷)冲击断口有大量韧窝；2-2号试样(℃正火+喷淋)和2-3号试样(℃正火+空冷)冲击断口均为解理断口形貌。
图3在℃正火+不同冷却方式条件下16Mn钢锻件的冲击断口形貌
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分析与讨论
在相同正火温度下，采用不同冷却方式冷却后，16Mn钢锻件的综合力学性能出现差异，从高到低对应的冷却方式依次为水冷、喷淋、空冷。采用空冷方式对16Mn钢锻件进行冷却时，由于奥氏体的过冷度较小，转变温度较高，元素的扩散能力较强，奥氏体具备发生扩散性相变的条件，所以在该条件下得到的显微组织为铁素体+珠光体。采用水冷方式进行冷却时，冷却速率较大，奥氏体中碳原子和铁原子的扩散速率较弱，形成半扩散、半切变型的中温转变产物，即贝氏体。贝氏体组织中,存在较多的位错，强度较高，且基体中分布有细小、弥散的碳化物。因此，采用水冷得到的16Mn钢锻件的综合力学性能最优。
当正火温度较低时，微量元素的固溶和弥散进行得不充分，晶粒细化对于强度和硬度起主要作用。当正火温度较高时，晶界弱化，晶粒和弥散的碳化物均有长大倾向，此时细晶强化和弥散强化的作用不
明显，主要是固溶强化对强度和硬度起主要作用。在℃正火时，弥散强化、固溶强化、细晶强化达
到最优的平衡状态，16Mn钢锻件在该温度下进行正火处理后得到的综合力学性能最优。
16Mn钢锻件在℃正火+喷淋或空冷条件下得到的组织中均有魏氏组织(铁素体型)，故其冲击吸收功低于℃正火+水冷条件下的冲击吸收功，但其冲击吸收功仍高于NB/T—标准对16Mn钢锻件的技术要求，这是因为针片状魏氏组织内存在精细结构，即小块状亚晶粒，比等轴状铁素体具有较高的位错密度。根据位错塞积理论，在位错运动受阻时，会产生塞积，形成应力集中，当应力集中程度大于材料的强度极限时会形成裂纹。铁素体内部的亚晶粒导致其晶界明显增多，假设被阻塞的位错数一定，则铁素体界面的位错较少，这可能是在℃正火+喷淋或空冷条件下16Mn钢锻件冲击性能较好的原因。
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结论
(1)在相同正火温度下，随着正火冷却速率的提高，16Mn钢锻件的抗拉强度、屈服强度和硬度均
呈现上升趋势，断后伸长率呈下降趋势，断面收缩率的变化不明显，-20℃冲击吸收功均高于标准值(不小于41J)。
(2)在℃正火条件下，弥散强化、固溶强化、细晶强化达到最优的平衡状态，得到的16Mn钢锻件的综合力学性能最优。
(3)在相同正火温度下，采取水冷方式进行冷却后，16Mn钢锻件的综合力学性能优于其他两种冷却方式(喷淋、空冷)获得的锻件综合力学性能，其组织为贝氏体+少量铁素体。
作者：俄馨1,2，李岗1,2，史伟1,2,3，李志霞1,2，李金梅1,2,3，李雅新1,2,3
单位：1.兰州兰石检测技术有限公司；
2.传感及检测技术应用研究中心；
3.甘肃省机械装备材料表征与安全评价工程实验室。
来源：《理化检验-物理分册》年第3期
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