关于4A材质冲击性能的研究与应用

方鹏洲

（浙江英洛华装备制造有限公司，浙江 金华 322118）

双相钢铸件是我司发展的重要方向，多用于低温承压铸件，要求有良好的低温冲击韧性和耐腐蚀性能。我司目前生产的4A材质铸件成本高，冲击性能不足，给我司带来巨大的经济损失和返工成本。因此有必要对4A材质铸件的低温冲击进行研究整理。4A双相钢经固溶后组织为γ+α。其性能主要受α和γ两相的比例影响。在平衡状态下，α和γ两相比例主要是由钢中铬当量(Creq)和镍当量(Nieq)来决定的[1]。

通过本次研究，将揭示4A低温冲击性能与组织、化学成分之间的关系，给公司带来更多的经济效益。此次研究的主要内容是通过调整材质的化学成分，来控制钢中铁素体、奥氏体的含量，从而控制钢的冲击性能。我们知道，不锈钢中的金属元素主要可以分为两大类，一种是扩大奥氏体相区或稳定奥氏体的元素：C、N、Ni、Mn、Cu等。另一种是缩小奥氏体相区形成铁素体的元素 ：Cr、Si、Ti、Nb、Mo、W、Al等。

合金元素是直接影响双相钢中α和γ的比例，从而影响钢的性能。其中Ni元素主要是为了获得奥氏体，从而提高钢的抗蠕变性能和冲击韧性。还能很好的调整各相的比例。Cr是主要的铁素体形成元素，能提高钢的强度，对提高钢的高温组织稳定性能有明显效果，并能提高抗腐蚀性。但含铬高的钢，会导致钢中铁素体含量增多，焊接裂纹敏感性强，温差应力也大。Mo也是铁素体形成元素，可提高钢的强度，特别是持久高强度的环境，但Mo元素过高会增加钢的脆性。N是一种强烈的奥氏体形成元素，高温时N稳定奥氏体的能力比Ni还大，而且N还能提高双相钢的耐孔蚀和耐缝隙腐蚀的能力。Mn可以提高钢的常温强度、硬度及耐磨性，含量过高时焊接应力增加。而且锰提高钢的高温短时强度，但对持久强度和蠕变极限没有明显的影响，对于双相钢来说，还能降低其耐孔蚀和耐缝隙腐蚀的能力。Si、Ti、Nb、W、Al等元素也是铁素体形成元素，能增加钢中铁素体的含量，提高钢的强度，降低钢的韧性。S、P为杂质元素，在双相钢中属于有害元素，能降低钢耐孔蚀和耐缝隙腐蚀的能力。双相钢中耐孔蚀和耐缝隙腐蚀是一个重要的指标，也称为耐点蚀当量，在氯化物环境下影响耐点蚀性能的元素主要是Cr、Mo、N。耐点蚀当量与元素的关系可表示为：PREN=Cr%+3.3*Mo%+X*N%(X=10～30，一般取X=16)对于4A双相钢，要求PREN≥34。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

本次实验材料为ASTM A890标准的4A材质，其标准化学成分如下表1所示。通过改变钢中奥氏体形成元素和铁素体形成元素，来控制钢中的镍当量和铬当量，本次研究实验了 5 组数据，其化学成分如下表2。

1.2 热处理及试样制备

热处理是影响4A材质性能重要工序，选择合适的热处理工艺能获得我们期待的组织和性能，本次研究的热处理采用ASTMA890标准中所规定的热处理工艺，要求1120℃保温足够时间，然后水冷，得到过饱和的奥氏体组织和铁素体组织。热处理后试块不采用直接碳弧气刨，或者气割方式切割试棒，以免产生热影响析出σ相，σ相虽能提高双相钢的强度，但对其冲击性能是有害的。所以热处理后直接线切割，获得夏比冲击试样。

表1 4A材质标准化学成分

表2 试样化学成分

通过线割得到的冲击试样，根据《ASTM A370钢制品力学性能试验的标准实验方法和定义》的规定获得标准规定的夏比V型缺口冲击试样，夏比缺口冲击试样的获取如下图所示。

图1 标准夏比V型缺口冲击试样

1.3 冲击试验测试

将热处理后的试块按图2规定的方案，用线割的方式获得三组夏比冲击试样，按《ASTM A370钢制品力学性能试验的标准实验方法和定义》中所规定的方法，每一种化学成分所对应的试块进行-46℃冲击试验，获得如下表3的数据。

表3 各化学成分所对应的冲击值

1.4 金相组织

将冲击残样进行金相分析，将残样放入氢氧化钠和铁氰化钾溶液内加热腐蚀，待溶液沸腾后取出，200倍下观察金相，金相组织分别如下图所示。

图2 金相组织

根据ASTM A800中的规定，钢中的铁素体含量可以通过铬当量和镍当量的比值计算后查表得到，其计算公式如下：（Cre）/（Nie）=（Cr%+1.5Si+1.4Mo%+Nb%-4.99）/（Ni%+30C%+0.5Mn%+26（N%-0.02）+2.77），计算得到的Cre/Nie在下表4中即可查找出对应的铁素体含量。

通过计算，得出（1）～（5）组试样的铁素体含量如下表4所示，从表中可以看出，随着钢中铁素体含量的增加，其低温冲击值直线降低，但除此之外还可能因为（1）、（3）组试样中存在较多的杂质，对实验结果有着影响。但可以看出组织对 4A 材质的低温冲击性能影响是最直接的。当钢中铁素体含量较高时，其奥氏体含量则相对偏低，从而冲击性能下降。该数据与金相显示结果一致。

表4 各组试样铁素体含量与冲击

2 实验结果及分析

通过之前的金相、冲击值、铁素体含量可以看出，钢中铁素体含量越高，则相应的奥氏体含量则越低，从而钢的冲击性能也随之降低。把之前所得到的数据进行从小到大排列，如下表所示，从表中可以看出，随着Cre/Nie比值的降低，钢中铁素体含量也随之降低，从而钢的冲击值也变高。

表5 钢中铁素体含量

所以，通过本次研究，影响4A材质冲击性能的主要取决于钢的显微组织，其组织中奥氏体含量越高，铁素体含量越低，则钢的冲击性能越好。要想提高钢中奥氏体含量，则必须降低铬当量，提高镍当量。但对于4A材质来说，它需要保证耐点蚀当量PREN≥34，而铬当量太低对PREN来说是坏事情，但是对于N元素，它既能提高PREN指标，又是强烈的奥氏体形成元素，在钢中可适当提高。而且N对PREN指标的影响是30倍以下。一般我们都取16倍。

3 结论

通过本次研究对比，影响4A材质低温冲击性能的主要因素为钢中奥氏体、铁素体的含量。要想提高4A材质的低温冲击韧性，则需要降低钢中铁素体的含量，提高奥氏体含量。而影响铁素体、奥氏体含量的主要因素为Cre和Nie。数据表明Cre/Nie比值越小，钢中铁素体含量越低，钢的低温冲击性能越高。