鈮元素對中碳鋼組織及性能的影響

孫 妍，董唐順，唐雪峰

（1.華北理工大學以升創新教育基地，河北 唐山 063210；2. 華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063210）

1 鈮元素對奧氏體晶粒的影響

1.1 實驗方法

實驗采用兩個45#鋼作為中碳鋼試樣，分別標記為試樣1和試樣2，其中試樣1的鋼中不含鈮元素，而試樣2含有一定量的鈮元素，其他成分保持相同。實驗前在900℃下對兩個試樣進行1h的奧氏體化處理，然后加工為標準的拉伸試樣10mm和標準V型缺口沖擊鋼樣10mm×10mm×55mm[1]。通過力學性能測試機分別對試樣進行室溫拉伸和沖擊實驗[2]。

1.2 實驗結果和分析

通過觀察900攝氏度下淬火后試樣中奧氏體晶粒的尺寸大小，可以發現試樣2的晶粒尺寸比試樣1的晶粒尺寸小，即含有鈮元素的45#鋼與不含鈮元素的45#鋼相比，晶粒更細小。其尺寸分別為33.5μm和13.5μm。兩種試樣奧氏體晶粒的長大行為基本相同，只是在粗化溫度以上試樣2的奧氏體晶粒更加細小。這說明在粗化溫度以下奧氏體晶粒并不發生長大過程，而試樣2中形成的Nb(C,N)細小顆粒也是主要對粗化溫度以上的奧氏體晶粒有阻礙作用，限制其長大，因此含有鈮元素的試樣奧氏體晶粒的長大傾向小，粗化溫度更高。

兩個試樣的室溫拉伸和沖擊實驗結果如下表所示。

表1 試樣鋼的機械性能指標

由上表可以直觀地看出試樣2與試樣1相比，屈服強度與沖擊功的值均有顯著的提高，說明鈮元素可以提高45#的屈服強度和沖擊功。

2 鈮元素對顯微硬度的影響

2.1 硬度實驗

采用顯微維氏硬度法對不含鈮元素的45#鋼試樣1和含有一定量鈮元素的45#鋼試樣2進行硬度的測定。顯微維氏硬度是維氏硬度的一種。按照試驗力的大小，維氏硬度可以分為維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。

2.2 實驗結果分析

實驗結果顯示不含鈮元素的45#鋼試樣1的表面洛氏硬度值為42HV，而含有一定量鈮元素的45#鋼試樣2的表面洛氏硬度值為55HV。由霍爾－佩琪公式可知，硬度與珠光體片層間距成反比。添加鈮之后，珠光體的片層間距減小，所以硬度得到了提升。

3 鈮元素對耐磨性的影響

在金屬零件的使用過程中，其表面會不可避免地發生較為嚴重的磨損，影響表面質量與使用壽命，因此研究鈮元素對耐磨性的影響有十分重要的實際意義。

對于不含鈮元素的45#鋼試樣1和含有一定量鈮元素的45#鋼試樣2，在其他條件均相同時進行磨損實驗，然后在SEM下觀察兩個試樣的磨損形貌，如圖1所示。

圖1 試樣鋼表面磨損形貌

4 鈮元素對耐蝕性的影響

4.1 失重法測定腐蝕速度

目前測定腐蝕速度的方法有很多，比如重量法、電流密度法、極化曲線法等。本文采用重量法對試樣1、2的腐蝕速度進行測定。所謂重量法就是金屬材料在一定的條件下（一定的溫度、壓力、介質濃度等）經腐蝕介質一定時間的作用后，計算出腐蝕前后試樣的重量變化進而確定腐蝕速度的一種方法。

對于均勻腐蝕來說，根據腐蝕產物容易清除或完全牢固地粘著在試樣表面的情況，可分別采用單位時間、單位面積上金屬腐蝕后的重量損失或重量增加來表示腐蝕速度如下式。

上式中：

K——腐蝕速度，g/m2·h（為負數時表明腐蝕產物未清除）

S——試樣受腐蝕區域的面積，m2

t——試樣腐蝕時間，h

W0——腐蝕前試樣的重量，g

W——腐蝕后試樣的重量，g（清除腐蝕產物后）

重量法是一種經典的測定腐蝕速度的方法，該方法至今仍被廣泛使用。

4.2 實驗結果與分析

經過相同的時間10天后，停止對兩個試樣的腐蝕，稱量清除腐蝕產物之后的試樣重量，與腐蝕之前試樣的重量相比較，實驗數據如下：試樣1的失重量為789毫克，試樣2的失重量為412毫克。根據公式(1)計算出兩個試樣的腐蝕率分別為1.97g/mm2·d和1.14g/mm2·d。實驗結果表明，試樣1、試樣2腐蝕率的變化規律大體相同，隨著時間的增加，腐蝕率隨之下降。

5 結論

（1）鈮元素的加入使淬火后的中碳鋼奧氏體晶粒得到細化，并提高了粗化溫度；與不含鈮元素的鋼樣相比，屈服強度和沖擊功也明顯提高。

（2）加入鈮元素的中碳鋼與不含鈮元素的中碳鋼相比，具有更高的顯微硬度。

（3）鈮元素可在一定程度上改善中碳鋼的耐磨性，主要表現在減少表面犁溝的數量，減輕犁溝深度。

（4）適量的鈮元素可以降低中碳鋼的腐蝕率，提高其耐腐蝕性能。