14Cr17Ni2不銹鋼沖擊功的影響研究

材料14Cr17Ni2屬于馬氏體—鐵素體型不銹鋼，該合金具有良好的耐蝕性和較高的力學性能，對于氧化性的酸類和有機酸的水溶液都有良好的耐蝕性，是制造耐蝕承載關鍵結構部件及緊固部件的常用材料。由于該類部件用于承受拉伸、剪切和沖擊的環境中，材料除需要滿足常規力學性能外，還應有良好的沖擊韌性。但熱加工工藝較復雜，在歷年生產過程中，常出現力學性能不合格的現象，據統計主要表現在沖擊功上，嚴重影響了生產成本及交貨期，造成了許多不必要的損失。本文通過試驗研究，證明了14Cr17Ni2具有明顯的中溫回火脆性。人們很早就發現了回火脆性現象，第一次世界大戰時發現了槍炮鋼變脆的現象并稱之為“克虜伯(Krupp)病”。化學成分的微小波動顯著影響鋼的組織與性能，尤其是碳、鉻含量的變化對沖擊功影響較大，所以，實際使用中，應根據應用條件和對其各方面的要求，合理控制調整成分。

本文對11爐不同化學成分的14Cr17Ni2合金鍛棒采用相同的熱處理制度處理后，進行U形缺口試樣的夏比沖擊試驗，對比分析不同化學成分對于沖擊功的影響；并對其中1爐鍛棒采用不同的回火溫度進行處理后，進行U形缺口試樣的夏比沖擊試驗，對比不同回火溫度對于沖擊功的影響。

試驗材料與方法

采用11爐直徑為

90mm的14Cr17Ni2合金鍛棒，其化學成分見表1。為了研究14Cr17Ni2回火溫度對沖擊功的影響，首先對10號鍛棒進行990℃/1.5h/油冷，油冷淬火后，采用300℃、380℃、400℃、450℃、520℃、550℃、600℃和680℃保溫4h/水冷，進行回火；為了研究14Cr17Ni2化學成分對沖擊功的影響，對11爐鍛棒在990℃/1.5h/油冷的條件下進行淬火后，分別采用300℃和520℃進行回火。

按照GB/T 229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》標準要求，采用試樣大小為55mm×10mm×10mm，缺口形狀為U形缺口，完成縱向室溫沖擊試驗。

金相組織采用奧林巴斯GX71金相顯微鏡進行觀察，腐蝕劑為CuCl

(5g)+HCl(100ml)+乙醇(100ml)。

試驗結果分析

回火溫度對14Cr17Ni2沖擊功的影響

驗證標準偏差相對穩定，具有統計意義。2004年QSAR國際會議正式形成經濟合作與發展組織（英文簡稱OECD）規則，明確必須使用外部驗證集（即測試集）來評價模型的預測能力。如果樣本量足夠大，也可以從105個樣本中隨機取8個樣本作為測試集，97個樣本作為訓練集。本案例執行該規范。

14Cr17Ni2鋼屬于馬氏體—鐵素體型不銹鋼，在淬火狀態下的組織為馬氏體+δ—鐵素體+殘余奧氏體。在回火過程中，自馬氏體及δ—鐵素體中析出M

C

型碳化物，并聚集于晶界上，馬氏體分解為回火索氏體。

14Cr17Ni2淬火后的組織為板條馬氏體+鐵素體，經回火后，馬氏體發生分解，析出碳化物，而鐵素體沒有變化。200℃～300℃回火時，基體組織中板條內和板條間的碳化物析出量逐漸增多，但仍呈細小彌散分布，所以沖擊功較高。在350℃回火時，晶界開始有少量碳化物析出，而當400℃～550℃回火時，板條間和晶界上的碳化物析出量明顯增多，并且以高彌散度沿晶界和板條分布，晶界上的碳化物析出大大降低了鋼的沖擊功，并導致該鋼在此時出現明顯的脆性傾向，沿晶斷裂。當回火溫度提高到600℃以上時，碳化物部分溶解，從而使脆性消失。

圖1為不同回火溫度下14Cr17Ni2的沖擊功，經對比不同回火溫度與沖擊功的關系發現，在300℃～450℃回火范圍內，該材料沖擊功從100J降低至19J，出現了明顯的下降；而在300℃～680℃回火范圍內沖擊功整體出現先下降再提升的趨勢，680℃回火時，沖擊功回升到78J，且在450℃左右出現沖擊功最低點19J。說明該材料存在明顯的回火脆性，回火脆性溫度范圍為350℃～550℃，回火溫度對材料的沖擊功影響較大。

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經對比不同回火溫度下的斷口宏觀形貌(圖2)和不同回火溫度下的斷口形貌(圖3),520℃回火的斷口宏觀形貌呈典型的沿晶脆性斷裂，在斷口表面上有許多亮面，每個亮面都是一個晶粒的晶界。而600℃回火的斷口宏觀形貌為韌性斷裂形貌，屬于穿晶斷裂和河流花樣。600℃回火的斷口形貌有明顯的韌窩和剪切唇。

14Cr17Ni2中主要的化學成分包括C、Cr、Ni、Si、Mn、P、S。元素Mn、Si在14Cr17Ni2中不屬于主要合金元素，在化學成分范圍內，對鋼的組織影響不大，因此鋼的組織與性能主要受C 、Cr和Ni這3種元素的影響。Ni本身對回火脆性影響不明顯，既然是碳化鉻影響鍛件的沖擊功，原材料中C和Cr的含量會直接影響鍛件沖擊功。

圖5為不同C、Cr含量的14Cr17Ni2的沖擊功，300℃沖擊功和520℃沖擊功趨勢幾乎一致，驗證了原材料對該材料沖擊功的影響占主要原因的結論。

圖4為不同沖擊功對應的金相顯微組織。從圖4可得，沖擊功為52J和35J的金相顯微組織，晶粒度均為5級，二者最大的差別在于，后者在晶界上析出了大量的碳化物顆粒。晶界上的碳化物析出大大降低了鋼的沖擊功，并導致該鋼在此時出現明顯的脆性傾向，沿晶斷裂。

對凈化工藝進行優化，將除銅鎘工藝由一段凈化改為一段兩次除銅鎘凈化，即一段一次凈化除銅、預除鎘，一段二次凈化進一步除銅鎘，達到鋅粉多點加入，渣與液快速分離的目的。優化后凈化工藝流程見圖2。

由圖5可知，隨著Cr含量的增加，14Cr17Ni2的沖擊功總體呈下降趨勢，而當Cr含量相差不大時，隨著C含量的升高，沖擊功下降。

結論

(1)14Cr17Ni2在300℃～680℃回火范圍內，該材料出現了沖擊功先下降再提升的趨勢，在450℃左右出現沖擊功最低點，且在350℃～550℃范圍內沖擊值整體偏低，低于39J(GJB 2294A-2014要求)。說明該材料存在明顯的回火脆性，回火溫度對材料的沖擊功影響較大，350℃～550℃為該材料的回火脆性區間溫度。

故天秉陽，垂日星；地秉陰，竅于山川，播五行于四時，和而后月生也。是以三五而盈，三五而闕。五行之動，迭相竭也，五行、四時，十二月還相為本也。［15］1423

(2)原材料化學成分的波動對14Cr17Ni2材料的沖擊功影響較大，隨著元素C、Cr含量的增加，材料的沖擊功呈總體下降趨勢。

(3)14Cr17Ni2在350～540℃進行回火且對材料沖擊功有要求時，應嚴格控制原材料中元素C、Cr的含量。