Ni含量对淬回火态40CrNiMo钢显微组织和力学性能的影响

关蕴奇， 李 亮， 胡文祥， 史正良， 徐 嘉

(1. 空调设备及系统运行节能国家重点实验室， 广东 珠海 519070；
2. 广东省制冷设备节能环保技术企业重点实验室， 广东 珠海 519070)

40CrNiMo钢以其良好的综合力学性能和相对低廉的成本，广泛应用于机械制造工业，在航空领域亦有所应用，近年来仍有企业和高校对其进行研究[1-4]。Ni是40CrNiMo钢重要的化学成分，从合金化角度一般认为Ni不仅可以显著提高钢的淬透性，也可有效提高钢的强度和韧性[5]。GB/T 3077—2015《合金结构钢》对40CrNiMo钢中Ni含量的要求范围较大(1.25%～1.65%)，不同厂家、不同批次40CrNiMo钢材的Ni含量可能存在较大差距，由此产生的波动非常不利于机械制品性能的稳定性，因此对于制造业而言，从化学成分层面研究选材的倾向性，针对指定产品制定严于国标要求的材料化学成分指标具有重要意义。

前期研究表明，Ni含量的变化对不同化学成分淬回火态Cr-Ni-Mo系钢的影响不同。韩顺等[6]对300M钢的研究表明，随着Ni含量从1.92%增加至5.07%，300M钢的硬度和抗拉强度降低，其断裂韧性在Ni含量3.06%时最高。王之香等[7]对高铁车轴钢的研究表明，随着Ni含量从0.20%增加至1.20%，高铁车轴钢的强度、伸长率和冲击吸收能量提高，650 ℃回火状态下的抗拉强度和屈服强度分别达到759 MPa和608 MPa。褚锦辉等[8]对30Cr2Ni4MoV钢的研究表明，Ni含量在3.29%～3.61%范围内，30Cr2Ni4MoV钢的抗拉强度、屈服强度和冲击吸收能量基本不变，因此可以通过降低Ni含量来节约成本。其他结构钢中也有针对Ni含量的研究，陶素芬等[9]对海洋工程用钢EQ70的研究表明，随着Ni含量从1.53%增加至2.06%，EQ70钢的Ac1和Ms降低，贝氏体的转变温度区间、转变冷速范围和组织形貌发生变化，而马氏体形貌没有明显变化。蒋波等[10]对中碳合金钢的研究表明，质量分数为0.6%的Ni加入，抑制了铁素体和珠光体相变，促进了贝氏体和马氏体相变，同时可以细化奥氏体冷却后的显微组织。

本文针对符合GB/T 3077—2015化学成分的不同Ni含量的40CrNiMo钢，进行淬回火处理后测试其硬度、抗拉强度和冲击吸收能量，以分析Ni含量对该钢种力学性能的影响。

1.1 试验材料

本文的试验材料为符合GB/T 3077—2015化学成分，并分别具有低Ni和高Ni含量的两种40CrNiMo钢，使用ARL easySpark 1160火花直读光谱仪测定的化学成分如表1所示，两种试验材料的Ni含量相差0.272%，分别接近国标要求的上限和下限。

表1 40CrNiMo钢的化学成分(质量分数，%)

图1 淬火态40CrNiMo钢的原奥氏体晶粒形貌(a)低Ni含量；
(b)高Ni含量Fig.1 Prior austenite grain morphologies of the quenched 40CrNiMo steel(a) low Ni content; (b) high Ni content

使用饱和苦味酸水溶液浸蚀经850 ℃淬火并保温30 min后的试验材料，通过光学显微镜观察到的原奥氏体晶粒形貌如图1所示，测定低Ni含量和高Ni含量40CrNiMo钢的晶粒度等级分别为10.5级和11.0级，晶粒度等级差距很小，因此忽略其在本文试验条件下对力学性能的影响。

1.2 试验方法

图2 热处理工艺曲线Fig.2 Process curve of heat treatment

试验材料经淬火+回火处理后进行各项试验，使用的热处理设备为高温箱式炉，淬火介质为德润宝Iso-Max 169淬火油。具体的热处理工艺曲线如图2所示，其中回火处理共试验3组温度(450、500、550 ℃)，出炉后立即水冷。使用日本理学Automate2 X射线衍射仪测定淬火后试验材料的残留奥氏体含量，其中X射线衍射仪采用CrKα辐射、V滤波片，X射线管的电压、电流分别设定为40 kV、40 mA，测定α-Fe、γ-Fe的2θ衍射角分别设定为156.4°、128.4°，测定α-Fe、γ-Fe的照射时间分别为50 s和100 s，采用半高宽法定峰，取多次测定结果的总体范围作为最终结果。

试验材料经热处理后抛光去除氧化层，经硝酸酒精腐蚀后，使用FEI扫描电镜观察显微组织，并使用维氏硬度计进行硬度检验，载荷砝码1 kg，然后分别在万能试验机和摆锤冲击试验机上进行室温拉伸试验和室温冲击试验，拉伸试样和V型缺口冲击试样的形状尺寸分别如图3、图4所示，取多次试验结果的平均值作为最终试验结果。

图5 40CrNiMo钢在450 ℃回火后的显微组织(a，c)低Ni含量；
(b，d)高Ni含量Fig.5 Microstructure of the 40CrNiMo steel tempered at 450 ℃(a,c) low Ni content; (b,d) high Ni content

图3 拉伸试样的形状和尺寸Fig.3 Shape and dimension of tensile specimen

图4 V型缺口冲击试样的形状和尺寸Fig.4 Shape and dimension of V-notch impact specimen

2.1 Ni含量对显微组织的影响

450 ℃回火后，两种试验钢的显微组织如图5所示，主要组织均为回火屈氏体，由于中温回火的温度较高，两种试验钢的马氏体基本完全分解，碳化物形态也无明显差异。

550 ℃回火后，两种试验钢的显微组织如图6所示，主要组织变为回火索氏体，马氏体分解程度加大且碳化物聚集长大，但两种试验材料依然无明显差异，表明在本试验条件下，Ni含量对40CrNiMo钢淬回火后的显微组织无明显影响，而残留奥氏体由于含量很少而难以辨识，下文采用X射线法对其含量进行测定。

图6 40CrNiMo钢在550 ℃回火后的显微组织(a，c)低Ni含量；
(b，d)高Ni含量Fig.6 Microstructure of the 40CrNiMo steel tempered at 550 ℃(a,c) low Ni content; (b,d) high Ni content

2.2 Ni含量对残留奥氏体含量的影响

经850 ℃淬火处理后，采用X射线测定低Ni含量和高Ni含量40CrNiMo钢的残留奥氏体体积分数分别为6.8%～7.5%和6.7%～7.8%，表明Ni含量对40CrNiMo钢的残留奥氏体含量无明显影响。Ni在γ-Fe中可以无限溶解，属于扩大γ相区的元素，一般认为Ni含量增加会提高残留奥氏体含量，但本文试验条件下未体现出此效果，推测Ni含量的增加，一方面使40CrNiMo钢的淬透性提高而增加了马氏体形成的倾向，另一方面却使40CrNiMo钢的Ms点下降而减少了马氏体形成的倾向，因此在本文试验条件下，Ni含量增加对残留奥氏体含量没有明显影响。

图7 不同Ni含量淬火态40CrNiMo钢的X射线衍射图谱Fig.7 X-ray diffraction patterns of the quenched 40CrNiMo steel with different Ni contents(a) α-Fe；

(b) γ-Fe

两种试验材料的衍射峰如图7所示，Ni含量增加对γ-Fe峰的2θ角无明显影响，但会使α-Fe的定峰2θ角从156.5°改变至155.1°，即向偏离α-Fe理论2θ角的方向变化，表明Ni含量增加会使α-Fe的晶格畸变增大。

2.3 Ni含量对硬度的影响

两种试验材料在不同温度回火后的硬度如图8所示，高Ni含量40CrNiMo钢在各个回火温度下的硬度均比低Ni含量40CrNiMo钢高5～10 HV，表明Ni含量增加可以略微提高40CrNiMo钢淬回火后硬度，但提高幅度较小，实际应用中一般不会影响钢的加工性能。

图8 不同回火温度下40CrNiMo钢的硬度Fig.8 Hardness of the 40CrNiMo steel tempered at different temperatures

2.4 Ni含量对抗拉强度的影响

两种试验材料在不同温度回火后的抗拉强度如图9 所示，高Ni含量40CrNiMo钢在各个回火温度下的抗拉强度均高于低Ni含量40CrNiMo钢，其中450 ℃回火条件下，两种试验材料的抗拉强度差距较大，为78 MPa，表明Ni含量增加可以提高40CrNiMo钢的淬回火后的抗拉强度，而提高幅度在450 ℃回火时较大，回火温度升高至550 ℃后提高幅度减小。

图9 不同回火温度下40CrNiMo钢的抗拉强度Fig.9 Tensile strength of the 40CrNiMo steel tempered at different temperatures

40CrNiMo钢回火后的主要组织为回火屈氏体或回火索氏体，其主要构成相为α-Fe和渗碳体，因此Ni含量增加会使α-Fe的晶格畸变增大，导致的α-Fe固溶强化效果增强，使40CrNiMo钢的抗拉强度提高，但随着回火温度升高，渗碳体逐渐聚集长大，α-Fe固溶强化效果的主导作用下降，因此抗拉强度的提高幅度下降。

2.5 Ni含量对冲击性能的影响

在450、550 ℃回火条件下，两种试验材料的冲击吸收能量如图10所示，高Ni含量40CrNiMo钢在两个回火温度下的冲击吸收能量均比低Ni含量40CrNiMo钢低约50%。在残留奥氏体含量不变的条件下，Ni含量的增加反而使40CrNiMo钢的冲击性能显著降低，因此推测在40CrNiMo钢的化学成分范围内，Ni的固溶强化机制发生了变化。

图10 不同温度回火后40CrNiMo钢的冲击吸收能量Fig.10 Impact absorbed energy of the 40CrNiMo steel tempered at different temperatures

1) Ni含量增加对40CrNiMo钢的淬回火后显微组织和残留奥氏体含量均无明显影响，但会使α-Fe 的定峰2θ角从156.5°改变至155.1°，即向偏离α-Fe理论2θ角的方向变化，导致α-Fe的晶格畸变增大，固溶强化效果增强。

2) Ni含量增加，固溶强化效果增强，会使40CrNiMo钢的硬度和室温抗拉强度提高，其中硬度在各个回火温度下均提高5～10 HV，而抗拉强度在450 ℃回火条件下的提高幅度达到78 MPa，随着回火温度升高，渗碳体逐渐聚集长大，导致固溶强化效果的主导作用下降，从而使抗拉强度的提高幅度下降。

3) 残留奥氏体含量不变的条件下，Ni含量增加会降低40CrNiMo钢的冲击性能，使450、550 ℃回火条件下的冲击吸收能量均下降约50%。