马氏体回复与纳米级(V,Mo)C析出之间的竞争决定了钒合金马氏体矿用链条钢的强韧性协同性能

《Materials Science and Engineering: A》：Competition between martensite recovery and nanoscale (V,Mo)C precipitation governs the strength–toughness synergy of V-alloyed martensitic mining chain steel

　　

摘要

在回火马氏体钢中实现强韧性协同是一个极具挑战性的课题，因为马氏体回复虽然能改善变形协调性，但会削弱位错强化效应。本研究考察了含钒23MnNiMoCr54矿用链钢在回火过程中马氏体回复与碳化物沉淀之间的竞争行为。试样在400–650 °C回火，并通过拉伸试验、硬度测试、仪器化夏比冲击试验、多尺度电子显微分析、电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）等手段进行表征，同时辅以半定量强化分析。强度、硬度和总仪器化吸收能均呈现非单调演化特征。在400–650 °C范围内，位错密度从4.316 × 10¹⁵降至1.359 × 10¹⁵ m^?2，微应变从0.429%降至0.241%。在400至550 °C区间内，沉淀强化仅部分补偿了回复引起的软化，且500–550 °C时较粗的析出相尺寸分布与回火韧性谷值相吻合。在550至600 °C区间内，析出相平均直径从27.9 nm减小至20.2 nm，而屈服强度从1186 MPa上升至1234 MPa，表明发生了沉淀辅助的二次硬化。600 °C条件下的性能组合为：屈服强度1234 MPa、硬度40.7 HRC、延伸率14.0%以及总仪器化吸收能104.8 J。在650 °C条件下，持续的回复占主导作用，尽管仍保留细密的析出相群体，屈服强度仍降至1110 MPa，表明发生了过回火。这些结果表明，有效的回火温度窗口受马氏体回复与纳米尺度(V,Mo)C沉淀之间竞争的调控，为沉淀强化马氏体钢的强韧性协同提供了机理基础。

引言

矿用圆环链是地下煤矿运输刮板输送机中的关键承载部件。在使用过程中，链环承受反复拉伸载荷、链轮啮合冲击、局部弯曲、磨蚀接触及腐蚀环境侵蚀[[1], [2], [3]]。这些耦合工况促使表面损伤、局部应力集中和裂纹萌生。因此，链条钢必须在具有较高承载能力和硬度的同时，兼具足够的塑性、冲击吸收能量和抗断裂能力。近期针对矿用链、锚链及海上系泊链的研究同样强调，结构可靠性取决于强度与抗冲击损伤及环境辅助损伤能力之间的协调[4,5]。

23MnNiMoCr54等高强度链条钢通常先进行淬火以获得分级板条马氏体基体，随后通过回火来建立最终的力学性能平衡。合金开发策略包括Nb微合金化[6]、V或V–N添加[7,8]、TiN辅助强化[9]及其他V微合金化路线[10]。尽管这些方法能够改变淬透性和碳化物沉淀行为，但成分和工艺路线的变化使得在固定合金体系内单独分离回火温度的影响变得困难。

含钒链条钢和结构钢也在氢陷阱[11]、应力腐蚀开裂[12]、增材制造[13]以及V辅助或Nb辅助沉淀[14,15]等方面进行了研究。综合来看，这些研究表明合金成分、加工历史和析出相状态均会显著影响强度和损伤容限[16]。在本研究采用的固定成分设计中，V和Mo构成了一个沉淀强化储备池，其有效性随回火过程而变化。因此，核心工艺变量是温度，它会改变基体回复与碳化物演化的相对主导地位。

一旦成分和淬火状态固定，回火将同时驱动碳的重新分布、碳化物的沉淀与转变、位错的重新排列与湮灭以及晶格微应变的弛豫。这些过程逐步改变马氏体亚结构。关于淬火回火低合金钢、热成形钢及分级马氏体微观组织的已有研究表明，这些过程可以在改善变形协调性的同时逐步削弱基于缺陷的强化效应[[17], [18], [19], [20], [21]]。细密的合金碳化物可能通过阻碍位错运动来补偿这种损失[22]，而较粗大或分布不均匀的析出相则可能降低强化效率并促进局部损伤。由于回复和沉淀的温度敏感性不同，强度、硬度、塑性和冲击韧性未必呈单调演化。

冲击韧性引入了额外的复杂性，因为仪器化夏比试验中吸收的能量既取决于最大载荷前的变形，也取决于后续的峰后响应。基体弛豫可减小局部约束，而碳化物的尺寸和分布则影响潜在的微孔洞形核位置。板条马氏体的晶体学分级结构也可能影响裂纹偏转和有效扩展路径。因此，在较宽的回火温度区间内，回复、沉淀以及界面介导的变形如何共同作用以产生非单调的强塑韧响应仍不明确。

本研究采用固定化学成分和相同奥氏体化及淬火条件的含钒23MnNiMoCr54矿用链钢，在400–650 °C进行回火。将拉伸试验、硬度测试和仪器化夏比冲击试验与多尺度电子显微分析、电子背散射衍射和X射线衍射相结合，将力学行为与马氏体亚结构弛豫、位错演化和碳化物沉淀联系起来。采用多机制强化分析作为对所述回复–沉淀竞争的半定量检验。研究目标为：确定非单调响应的微观组织起源，建立600 °C多性能协同窗口的基础，并提出适用于沉淀强化马氏体结构钢的回火设计原则。

章节摘要

材料制备与热处理

试验材料为含钒23MnNiMoCr54链条钢，化学成分列于表1。采用真空感应熔炼制备200 kg合金铸锭，在1200 °C均匀化8 h，随后锻造为截面尺寸为120 mm × 120 mm的方坯。方坯经多道次热轧成直径52 mm的圆棒。热轧圆棒在680 °C退火4 h，炉冷至500 °C后空冷至室温。

力学性能与断裂行为

拉伸性能、夏比吸收能和洛氏硬度汇总于表2和图2。强度响应呈非单调特征。抗拉强度和屈服强度分别从T400的1355和1240 MPa降至T550的1264和1186 MPa。随后两者在600 °C时回升，达到1301 MPa（抗拉强度）和1234 MPa（屈服强度），在650 °C时则显著下降至1140和1110 MPa。T550到T600屈服强度增加的48 MPa远大于试验误差所指示的范围。

回复–沉淀竞争

强度和硬度并未遵循与回火通常相关的单调软化趋势。相反，数据识别出三个由马氏体回复和碳化物沉淀的不同相对贡献所表征的区域。在400至550 °C区间内，估算的位错密度下降了约46%（从4.316 × 10¹⁵降至2.342 × 10¹⁵ m^?2），微应变从0.429%降至0.316%。在同一温度区间内，表观析出相体积分数从0.29%增至。

结论

• (1)
  在400至650 °C回火过程中，XRD测得的微应变从0.429%逐步降至0.241%，位错密度从4.316 × 10¹⁵降至1.359 × 10¹⁵ m^?2，同时表观析出相体积分数从0.29%增至3.27%。板条马氏体的分级组织在整个温度范围内得以保留，EBSD有效晶粒尺寸和大角度晶界比例的变化幅度不大。
• (2)
  在400至550 °C区间内，沉淀强化仅补偿了回复引起的位错强化损失的一部分。

作者贡献声明

饶炎俊：写作 – 审阅与编辑、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念构思。王新伟：调查。马伟涛：验证。任书豪：数据整理。宋仁博：写作 – 审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。王永进：资源、项目管理。

资助

本研究未获得公共、商业或非营利部门任何资助机构的专项资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

饶炎俊|王新伟|马伟涛|任书豪|宋仁博|王永进

北京科技大学 材料科学与工程学院，北京，100083，中国