铬作为钢中一种重要的合金化元素，能提高钢的淬透性，并且形成合金渗碳体后可以提升钢材的强度、韧性、抗回火性以及耐磨性等，在碳钢中添加适量的铬元素可显着改变铁素体的形态及分布，并能细化晶粒，今天，本文将就铬元素含量对高碳钢65Mn热轧钢带组织和性能的影响展开研究。

    试验材料与试验方法

    1 试验材料

    试验材料选用4种高碳钢65Mn热轧钢带，钢中铬含量（质量分数，下同）分别为0.01％，0.10％，0.13％，0.16％，厚度规格为2.5mm，除铬含量外其他生产控制工艺均相同，具体化学成分见表1。

    表1 试验用65Mn钢的化学成分（质量分数）

    2 试验方法

    65Mn钢液采用180t顶底复吹转炉冶炼，连铸生产成230mm（厚）×1280mm（宽）的钢坯，采用1780mm宽热连轧设备轧制为2.5mm（厚）×1250mm（宽）的热轧钢带，取热轧钢带生产样（横向）进行检测。

    在WAW-1000型万能试验机上进行拉伸试验，测试抗拉强度、屈服强度和断后伸长率；在HB-3000型布氏硬度计上检测试样布氏硬度；用4％（体积分数）的硝酸酒精溶液对抛光金相试样进行侵蚀，在DMI5000M型金相显微镜下观察其显微组织和晶粒度。

    试验结果与讨论

    1 铬含量对显微组织的影响

图1 不同铬含量试样的显微组织形貌

    由图1可知：所有试样的显微组织都为珠光体＋铁素体，但随着铬含量的增加，热轧试样的显微组织趋向细化，尤其是当铬含量增加到0.16％时，组织中出现了粒状贝氏体；当铬含量为0.01％时，显微组织中存在粗大的网状铁素体，并且分布区域较广，随着铬含量的增加，网状铁素体得到弱化，当铬含量达到0.16％时，网状铁素体基本消失。

    2 铬含量对晶粒度的影响

图2 不同铬含量试样的晶粒形貌

图3 不同铬含量试样的晶粒度级别

    由图2图3可知：随着铬含量的增加，试样的晶粒尺寸逐渐减小，晶粒度等级则逐渐提高；当铬含量低于0.13％时，铬对热轧试样晶粒的细化作用显着，当铬含量从0.13％增加到0.16％时，铬对晶粒的细化作用逐渐下降。

    3 铬含量对力学性能的影响

    图4和图5为不同铬含量试样的力学性能对比，可见随着铬含量从0.01％增加到0.16％，抗拉强度Rm从822MPa增加到999MPa，屈服强度ReL从460MPa增加到633MPa，布氏硬度从245HBW增加到285HBW，而断后伸长率A趋于下降，从29％降低到22％。当铬含量低于0.13％时，随着铬含量的增加，抗拉强度、屈服强度和硬度变化明显，每增加0.01％的铬，对应指标提升值分别为；15.3MPa，17.6MPa，3.8HBW。当铬含量大于0.13％时，随着铬含量的增加，抗拉强度、屈服强度和硬度下降，而断后伸长率提升。

    从强化机理上分析，铬元素提升材料强度是由于铬与α-Fe同为体心立方晶格，且与α-Fe原子半径和电子结构均相近，所以它们在室温下能够无限固溶，铬原子溶入铁素体后，形成置换固溶体，产生固溶强化，从而提升强度。并且铬溶入α-Fe后会引起点阵畸变，阻碍位错运动，增强滑移变形抗力，提升抗拉强度。

图4 不同铬含量试样的拉伸性能

图5 不同铬含量试样的硬度

    4 讨论

    本研究中随着铬含量的增加，材料的强度和硬度逐渐增加，而塑性降低，可能是由于铬元素使材料内部珠光体的组织结构发生变化，并且碳含量越接近共析点，珠光体组织结构对材料性能的影响越大。因此，65Mn钢的力学性能与显微组织中珠光体的片层间距密切相关，而珠光体片层间距与过冷度的关系如下式所示

    S0＝（8.02/ΔT）×103（1）

    式中；S0为珠光体片层间距，nm；ΔT为过冷度，℃。

    高碳钢中加入合金元素铬，由于铬能起到扩大奥氏体区的作用，使钢的C曲线右移，推迟了奥氏体向珠光体的转变，即在冷却速度不变的情况下，降低了珠光体转变开始温度，增加了转变过冷度。因此随着铬含量的增加，珠光体片层间距得到细化，从而使相界面增多，抗塑性变形能力增强，故强度、硬度提升，这与本文的研究结论一致。另一方面，高碳钢中加入铬元素，使材料产生固溶强化和细晶强化，常温下细晶强化效果比固溶强化作用要明显。经细晶强化后，材料塑性变形的抗力就会增大，这也会导致材料的强度、硬度增加。

    虽然添加铬元素可以通过晶粒细化提升材料的塑性，但同时形成的第二相Cr3C会降低材料的塑性，故而本试验数据显示：随着铬含量从0.01％增加到0.16％，材料的断后伸长率反而由29％下降至22％。随着铬含量的增加塑性值下降，表明高碳钢65Mn中第二相Cr3C对塑性的影响大于细晶强化的影响。当铬含量从0.13％增加到0.16％时，断后伸长率下降变缓，表明当钢中铬含量达到一定值后，第二相对高碳钢塑性的影响效果趋于弱化。

    结论

    （1）铬元素可以促进高碳钢65Mn的珠光体转变，细化珠光体片间距，弱化网状铁素体。

    （2）高碳钢65Mn热轧钢带中随着铬含量的增加，晶粒尺寸逐渐减小，晶粒度等级则逐渐提高，从铬含量为0.01％时的8.0级提高到了铬含量为0.16％时的8.8级，且晶粒均匀度提升；当铬含量低于0.13％时，铬对热轧试样晶粒的细化作用显着。

    （3）随着高碳钢65Mn热轧钢带中铬含量从0.01％增加到0.16％，抗拉强度从822MPa增加到999MPa，断后伸长率从29％降低到22％；并且当铬含量低于0.13％时，强化效果明显。

    （4）铬元素通过细化珠光体片层间距来改变材料性能，而第二相Cr3C阻碍材料的韧性变形，二者的共同作用影响着材料的综合力学性能。第二相Cr3C对65Mn热轧钢带塑性的影响大于细晶强化的影响。

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责任编辑：王元

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