2024年3月17日发(作者：理德业)
锻造对30CrNi2MoV钢在亚温淬火下组织与性能的影响
张晓宇;许晓静;杜东辉;刘志刚;童浩;蔡成彬
【摘 要】30CrNi2MoV钢是一种中碳合金钢,常用于制造高强韧性的大型锻件,广泛
用于制造火电、核电等电站装备和大型冶金、矿山和运输装备中的承力和传动结构部件.
为提高30CrNi2MoV钢的低温冲击韧性和室温强度,本文采用金相显微镜、扫描电子显微
镜、拉伸机和硬度仪等方法对其进行组织观测、断口形貌分析和力学性能测试,研究了不
同锻造方式对30CrNi2MoV钢的组织与力学性能的影响.结果表明:经过2次镦粗的
30CrNi2MoV钢再经1次镦粗或1次镦粗+1次拔长两种锻造方式后能够有效细化且均
匀晶粒,提高晶粒等轴性;与2次镦拔工艺的30CrNi2MoV钢相比,再经过1次镦粗或1次
镦粗+1次拔长后其抗拉强度、延伸率和冲击韧性分别由1 043.6 MPa、35.65％和40.33
J提高至1 161.6和1 157.4 MPa、37.80％和36.13％、103和87 J.数据表
明,30CrNi2MoV钢经过2次镦拔+1次镦粗工艺后,其组织与力学性能达到最好状态.%30
CrNi2 MoV steel is a medium-carbon alloy steel, which is commonly applied in
the manufacture of large forgings with high strength and toughness. It is widely
used in the manufacture of power and transmission components in power plant
equipment and large-scale metallurgy, mining, and transportation equipment for
thermal power and nuclear power plants. In order to improve the low-
temperature impact toughness and room temperature strength of 30 CrNi2 MoV
steel, effects of different forging methods on the microstructure and mechanical
properties of 30 CrNi2 MoV steel were studied by using metallographic
microscope, scanning electron microscopy, and tensile tester and hardness tester
for microstructure observation, fracture morphology analysis, and mechanical
properties tests, respectively. Results show that after two times pressing and one
drawing + one upsetting process or two times pressing and one drawing + one
upsetting + one stretching process, the 30 CrNi2 MoV steel can be effectively
refined with uniform grain, and the equiaxiality of the grains can be improved.
Compared with the 30 CrNi2 MoV steel with two times pressing and one drawing
process, the tensile strength, elongation, and impact toughness increased from 1
043.6 MPa, 35.65％, 40.33 J to 1 161.6 MPa and 1 157.4 MPa, 37.80％ and 36.13％,
and 103 J and 87 J, respectively. The data indicates that the microstructure and
mechanical properties of 30 CrNi2 MoV steel achieve the best state after the two
times pressing and one drawing + one up-setting process.
【期刊名称】《材料科学与工艺》
【年(卷),期】2019(027)001
【总页数】4页(P87-90)
【关键词】30CrNi2MoV钢;锻造工艺;亚温淬火;显微组织;力学性能
【作 者】张晓宇;许晓静;杜东辉;刘志刚;童浩;蔡成彬
【作者单位】江苏大学 先进制造与现代装备技术工程研究院, 江苏 镇江 212013;江
苏大学 先进制造与现代装备技术工程研究院, 江苏 镇江 212013;江苏大学 先进制造与现
代装备技术工程研究院, 江苏 镇江 212013;江苏大学 先进制造与现代装备技术工程研究
院, 江苏 镇江 212013;江苏大学 先进制造与现代装备技术工程研究院, 江苏 镇江 212013;
江苏大学 先进制造与现代装备技术工程研究院, 江苏 镇江 212013
【正文语种】中 文
【中图分类】TG42.1
CrNiMoV系高淬透性高强钢大型锻件广泛应用于核电、火电、冶金、石化、军工等
领域，是大型成套设备的关键零部件，其制造技术水平直接影响到大型成套装备的运行寿
命和运行可靠性，现有的制造技术水平远不能满足我国大型装备发展的长寿命、高可靠迫
切需求[1-2].大型锻件必须由大型铸锭锻造而成，大型铸锭在制造过程中必然存在枝晶组
织等组织、成分的不均匀性.
30CrNi2MoV钢是一种中碳合金钢，具有高的淬透性和良好的综合力学性能，常用
于制造高强韧性的大型锻件[3-5].尽管该钢种有先天优势，但同时具有强烈的组织遗传性，
在加热过程中产生的粗大奥氏体晶粒难于细化，使材料的塑性和韧性同时降低[6-8].与铸
件相比，金属经锻造加工后能改善其组织结构和力学性能.铸造组织经锻造方法热加工变
形后,由于金属的变形和再结晶，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能[9].
有关研究表明[10-13]， 在常规淬火工艺后继续增加亚温奥氏体化处理，锻件的抗拉强度
和冲击韧性明显提高[14].锻件的组织性能与锻造工艺有很大的关系.相对于单次锻造，多
次锻造可通过多次锻前加热发生的再结晶、奥氏体相变等改善材料组织.锻造次数不能太
少但也并非越大越好，前者会导致枝晶组织得不到消除，后者会导致组织、性能方向性明
显，但会相应增加成本问题.至今为止，尚未有一种短流程方法，仅通过锻造和后续最终
处理制造即可获得低温冲击韧性高、室温强度高的30CrNi2MoV 钢锻件，这在一定程度
上限制了30CrNi2MoV钢件的质量提升和制造成本下降.
本文采用金相显微镜、扫描电子显微镜观察和力学试验等方法，研究了增加后续亚温
奥氏体化处理条件下不同锻造态工艺对30CrNi2MoV钢的组织与力学性能的影响.
1 试 验
试验采用锻造后的30CrNi2MoV钢，其化学成分见表1.经测定，锻造后的材料晶粒
度为2级.试验采用的试件尺寸为10 mm×10 mm×20 mm.
热处理制度如下：1)奥氏体化温度工艺，将毛坯试样加热到860 ℃奥氏体化，保温6
h后再将温度降至780 ℃，再保温2 h,油冷淬火至室温；2)回火工艺，奥氏体化温度为
600 ℃，保温16 h，然后油冷至室温.
对试样分成3组进行不同的锻造工艺加工.A 组为2次镦拔锻造工艺，B组为2次镦
拔+1次镦粗锻造，C组为2次镦拔+1次镦粗+1次拔长锻造(即3次镦拔工艺).然后，将
锻造后的各组试样进行热处理；最后，将热处理后的试样进行精加工.将冲击试样加工成
l0 mm ×l0 mm ×55 mm的夏比V型缺口冲击试样，拉伸试样加工尺寸为标准试样.拉伸
试验在WE-300 型试验机上按GB/T 228.1—2002[11]进行，冲击试验在JBn-300B 冲击
试验机上按GB/T 229—l994[12]进行，每个状态3个试样取平均值.试样经苦味酸和硝酸
酒精混合溶液腐蚀后，在金相显微镜下观测微观组织，在日立 S-4300型冷场发射扫描电
子显微镜(SEM)下观察断口形貌.
表1 30CrNi2MoV钢的成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of
30CrNi2MoV steel(wt.%)CSiMnPS0.26～0.330.17～0.370.3～0.60～0.002 50～0.002
5CrNiMoVCu0.6～0.92.0～2.50.2～0.30.15～0.30～0.25
2 结果与分析
2.1 显微组织
金属在高温塑性变形过程中发生动态回复和动态再结晶[13]，动态再结晶过程有助于
晶粒细化，会在一定程度上改善坯料力学性能[10].图1(a)、(b)、(c)为热处理前后的2次
镦拔锻造、2次镦拔+1次镦粗和2次镦拔+1次镦粗+1次拔长锻造工艺下的晶粒分布.由
图1可以看出，图1(b)、(c)中的晶粒尺寸明显比图1(a)要小，而且经过2次镦拔+1次镦
粗锻造后晶粒更加均匀化，说明锻造工艺有利于细化和均匀化晶粒，晶粒尺寸越细小，均
匀性程度越高.
2.2 拉伸性能及断口特征
材料的拉伸性能一般与材料内部缺陷如细孔、疏松、裂纹等有关，这些缺陷严重影响
着材料的机械性能[15].本文将分别经过3种锻造工艺的试样，依次在室温下进行拉伸实
验.通过3种不同锻造工艺：2次镦拔锻造、2次镦拔+1次镦粗和2次镦拔+1次镦粗+1
次拔长锻造工艺获得的试样，经过拉伸冲击后的断口形貌如图2所示.
从图2可以看出，图2(a)有明显裂痕缺陷，图2(b)和2(c)中断口处的细小韧窝较多
且均匀，几乎没有明显的缺陷，因此，经过锻造工艺后，可以有效减少锻件内部的疏松、
裂纹等缺陷，从而提高锻件的力学性能.具体数值列于表2.
从表2可以看出，与经过2次锻造的30CrNi2MoV 钢相比，经过后2种锻造工艺处
理后的锻件，其抗拉强度和延伸率分别有所提高.但是相对于镦粗+拔长锻造工艺来说，2
次镦拔+1次镦粗锻造工艺的效果更加明显，抗拉强度和延伸率分别提升了约120 MPa
和2.2%.
图1 不同锻造态下30CrNi2MoV钢的晶粒分布
Fig.1 Grain distribution of 30CrNi2MoV steel under different forging states: (a)
two times pressing and one drawing process; (b) two times pressing and one
drawing + one upsetting process; (c) two times pressing and one drawing + one
upsetting + one stretching process
图2 30CrNi2MoV钢的拉伸断口形貌
Fig.2 Tensile fracture morphology of 30CrNi2MoV steel: (a) two times
pressing and one drawing process; (b) two times pressing and one drawing + one
upsetting process; (c) two times pressing and one drawing + one upsetting + one
stretching process
表2 不同锻造态的30CrNi2MoV钢的拉伸强度和延伸率
Table 2 Tensile strength and elongation of 30CrNi2MoV steel under different
forging states
锻造工艺抗拉强度/MPa延伸率/%A1 043.635.65B1 161.637.80C1 157.436.13
2.3 低温冲击性能及硬度
将分别经过3种锻造工艺：2次镦拔锻造、2次镦拔+1次镦粗和2次镦拔+1次镦粗
+1次拔长的试样分成3组，每组3个试样，依次在-40 ℃下进行冲击试验，在显微硬度
仪上测量其硬度.经冲击试验后断口形貌如图3所示，冲击韧性和硬度大小列于表3.
从图3看出，图3(a)、(b)中的组织更加均匀，表面细小韧窝较多，几乎无枝晶，从
而提高锻件的力学性能.从表3可以看出，与未经过锻造工艺处理的锻件相比，经过锻造
处理的锻件，其硬度得到了一定程度的提高,从而提高了锻件的耐磨性.与此同时,其冲击韧
性大幅提高，大约是原来的两倍多.
图3 30CrNi2MoV钢的冲击断口形貌
Fig.3 Impact fracture morphology of 30CrNi2MoV steel: (a) two times
pressing and one drawing + one upsetting process; (b) two times pressing and
one drawing + one upsetting + one stretching process
这说明锻造工艺对钢件的冲击韧性有一定影响，其中2次镦拔+1次镦粗后锻件内部
的一些孔洞、疏松等缺陷消失，致使晶粒尺寸变小得到细化，极大提高了锻件的力学性能，
对其冲击韧性的影响最大.但是，经过2次镦拔+1次镦粗+1次拔长工艺后，冲击韧性略
有下降，这可能由于再次拔长使得锻件内部的枝晶等缺陷有回复的趋势.
表3 不同锻造态30CrNi2MoV钢的冲击韧性和硬度
Table 3 Impact toughness and hardness of 30CrNi2MoV steel under different
forging states
工艺Akv,-40 ℃/J123平均值硬度
(HB)A4B9811C83889087375
3 结 论
1) 经过2次镦拔+1次镦粗和2次镦拔+1次镦粗+1次拔长锻造工艺处理后，在微观
组织方面，30CrNi2MoV钢的晶粒尺寸变小，晶粒更加细化、均匀化.
2) 相比较未经锻造处理的30CrNi2MoV钢，经过锻造工艺处理后，尤其是2次镦拔
+1次镦粗锻造工艺，其在力学性能方面得到了大幅提升,其抗拉强度和延伸率分别达到1
161.6 MPa和37.80%，大约比原来提高了120 MPa和2.2%.
3) 经过2次镦拔+1次镦粗锻造工艺处理后，在不降低其硬度的情况下，明显提高了
30CrNi2MoV钢的冲击韧性，从原来的40.33 J增加到103 J，几乎为原来的2.5倍，同
时耐磨性也有所提高.
参考文献：
【相关文献】
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2024年3月17日发(作者：理德业)
锻造对30CrNi2MoV钢在亚温淬火下组织与性能的影响
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【摘 要】30CrNi2MoV钢是一种中碳合金钢,常用于制造高强韧性的大型锻件,广泛
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为提高30CrNi2MoV钢的低温冲击韧性和室温强度,本文采用金相显微镜、扫描电子显微
镜、拉伸机和硬度仪等方法对其进行组织观测、断口形貌分析和力学性能测试,研究了不
同锻造方式对30CrNi2MoV钢的组织与力学性能的影响.结果表明:经过2次镦粗的
30CrNi2MoV钢再经1次镦粗或1次镦粗+1次拔长两种锻造方式后能够有效细化且均
匀晶粒,提高晶粒等轴性;与2次镦拔工艺的30CrNi2MoV钢相比,再经过1次镦粗或1次
镦粗+1次拔长后其抗拉强度、延伸率和冲击韧性分别由1 043.6 MPa、35.65％和40.33
J提高至1 161.6和1 157.4 MPa、37.80％和36.13％、103和87 J.数据表
明,30CrNi2MoV钢经过2次镦拔+1次镦粗工艺后,其组织与力学性能达到最好状态.%30
CrNi2 MoV steel is a medium-carbon alloy steel, which is commonly applied in
the manufacture of large forgings with high strength and toughness. It is widely
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properties tests, respectively. Results show that after two times pressing and one
drawing + one upsetting process or two times pressing and one drawing + one
upsetting + one stretching process, the 30 CrNi2 MoV steel can be effectively
refined with uniform grain, and the equiaxiality of the grains can be improved.
Compared with the 30 CrNi2 MoV steel with two times pressing and one drawing
process, the tensile strength, elongation, and impact toughness increased from 1
043.6 MPa, 35.65％, 40.33 J to 1 161.6 MPa and 1 157.4 MPa, 37.80％ and 36.13％,
and 103 J and 87 J, respectively. The data indicates that the microstructure and
mechanical properties of 30 CrNi2 MoV steel achieve the best state after the two
times pressing and one drawing + one up-setting process.
【期刊名称】《材料科学与工艺》
【年(卷),期】2019(027)001
【总页数】4页(P87-90)
【关键词】30CrNi2MoV钢;锻造工艺;亚温淬火;显微组织;力学性能
【作 者】张晓宇;许晓静;杜东辉;刘志刚;童浩;蔡成彬
【作者单位】江苏大学 先进制造与现代装备技术工程研究院, 江苏 镇江 212013;江
苏大学 先进制造与现代装备技术工程研究院, 江苏 镇江 212013;江苏大学 先进制造与现
代装备技术工程研究院, 江苏 镇江 212013;江苏大学 先进制造与现代装备技术工程研究
院, 江苏 镇江 212013;江苏大学 先进制造与现代装备技术工程研究院, 江苏 镇江 212013;
江苏大学 先进制造与现代装备技术工程研究院, 江苏 镇江 212013
【正文语种】中 文
【中图分类】TG42.1
CrNiMoV系高淬透性高强钢大型锻件广泛应用于核电、火电、冶金、石化、军工等
领域，是大型成套设备的关键零部件，其制造技术水平直接影响到大型成套装备的运行寿
命和运行可靠性，现有的制造技术水平远不能满足我国大型装备发展的长寿命、高可靠迫
切需求[1-2].大型锻件必须由大型铸锭锻造而成，大型铸锭在制造过程中必然存在枝晶组
织等组织、成分的不均匀性.
30CrNi2MoV钢是一种中碳合金钢，具有高的淬透性和良好的综合力学性能，常用
于制造高强韧性的大型锻件[3-5].尽管该钢种有先天优势，但同时具有强烈的组织遗传性，
在加热过程中产生的粗大奥氏体晶粒难于细化，使材料的塑性和韧性同时降低[6-8].与铸
件相比，金属经锻造加工后能改善其组织结构和力学性能.铸造组织经锻造方法热加工变
形后,由于金属的变形和再结晶，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能[9].
有关研究表明[10-13]， 在常规淬火工艺后继续增加亚温奥氏体化处理，锻件的抗拉强度
和冲击韧性明显提高[14].锻件的组织性能与锻造工艺有很大的关系.相对于单次锻造，多
次锻造可通过多次锻前加热发生的再结晶、奥氏体相变等改善材料组织.锻造次数不能太
少但也并非越大越好，前者会导致枝晶组织得不到消除，后者会导致组织、性能方向性明
显，但会相应增加成本问题.至今为止，尚未有一种短流程方法，仅通过锻造和后续最终
处理制造即可获得低温冲击韧性高、室温强度高的30CrNi2MoV 钢锻件，这在一定程度
上限制了30CrNi2MoV钢件的质量提升和制造成本下降.
本文采用金相显微镜、扫描电子显微镜观察和力学试验等方法，研究了增加后续亚温
奥氏体化处理条件下不同锻造态工艺对30CrNi2MoV钢的组织与力学性能的影响.
1 试 验
试验采用锻造后的30CrNi2MoV钢，其化学成分见表1.经测定，锻造后的材料晶粒
度为2级.试验采用的试件尺寸为10 mm×10 mm×20 mm.
热处理制度如下：1)奥氏体化温度工艺，将毛坯试样加热到860 ℃奥氏体化，保温6
h后再将温度降至780 ℃，再保温2 h,油冷淬火至室温；2)回火工艺，奥氏体化温度为
600 ℃，保温16 h，然后油冷至室温.
对试样分成3组进行不同的锻造工艺加工.A 组为2次镦拔锻造工艺，B组为2次镦
拔+1次镦粗锻造，C组为2次镦拔+1次镦粗+1次拔长锻造(即3次镦拔工艺).然后，将
锻造后的各组试样进行热处理；最后，将热处理后的试样进行精加工.将冲击试样加工成
l0 mm ×l0 mm ×55 mm的夏比V型缺口冲击试样，拉伸试样加工尺寸为标准试样.拉伸
试验在WE-300 型试验机上按GB/T 228.1—2002[11]进行，冲击试验在JBn-300B 冲击
试验机上按GB/T 229—l994[12]进行，每个状态3个试样取平均值.试样经苦味酸和硝酸
酒精混合溶液腐蚀后，在金相显微镜下观测微观组织，在日立 S-4300型冷场发射扫描电
子显微镜(SEM)下观察断口形貌.
表1 30CrNi2MoV钢的成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of
30CrNi2MoV steel(wt.%)CSiMnPS0.26～0.330.17～0.370.3～0.60～0.002 50～0.002
5CrNiMoVCu0.6～0.92.0～2.50.2～0.30.15～0.30～0.25
2 结果与分析
2.1 显微组织
金属在高温塑性变形过程中发生动态回复和动态再结晶[13]，动态再结晶过程有助于
晶粒细化，会在一定程度上改善坯料力学性能[10].图1(a)、(b)、(c)为热处理前后的2次
镦拔锻造、2次镦拔+1次镦粗和2次镦拔+1次镦粗+1次拔长锻造工艺下的晶粒分布.由
图1可以看出，图1(b)、(c)中的晶粒尺寸明显比图1(a)要小，而且经过2次镦拔+1次镦
粗锻造后晶粒更加均匀化，说明锻造工艺有利于细化和均匀化晶粒，晶粒尺寸越细小，均
匀性程度越高.
2.2 拉伸性能及断口特征
材料的拉伸性能一般与材料内部缺陷如细孔、疏松、裂纹等有关，这些缺陷严重影响
着材料的机械性能[15].本文将分别经过3种锻造工艺的试样，依次在室温下进行拉伸实
验.通过3种不同锻造工艺：2次镦拔锻造、2次镦拔+1次镦粗和2次镦拔+1次镦粗+1
次拔长锻造工艺获得的试样，经过拉伸冲击后的断口形貌如图2所示.
从图2可以看出，图2(a)有明显裂痕缺陷，图2(b)和2(c)中断口处的细小韧窝较多
且均匀，几乎没有明显的缺陷，因此，经过锻造工艺后，可以有效减少锻件内部的疏松、
裂纹等缺陷，从而提高锻件的力学性能.具体数值列于表2.
从表2可以看出，与经过2次锻造的30CrNi2MoV 钢相比，经过后2种锻造工艺处
理后的锻件，其抗拉强度和延伸率分别有所提高.但是相对于镦粗+拔长锻造工艺来说，2
次镦拔+1次镦粗锻造工艺的效果更加明显，抗拉强度和延伸率分别提升了约120 MPa
和2.2%.
图1 不同锻造态下30CrNi2MoV钢的晶粒分布
Fig.1 Grain distribution of 30CrNi2MoV steel under different forging states: (a)
two times pressing and one drawing process; (b) two times pressing and one
drawing + one upsetting process; (c) two times pressing and one drawing + one
upsetting + one stretching process
图2 30CrNi2MoV钢的拉伸断口形貌
Fig.2 Tensile fracture morphology of 30CrNi2MoV steel: (a) two times
pressing and one drawing process; (b) two times pressing and one drawing + one
upsetting process; (c) two times pressing and one drawing + one upsetting + one
stretching process
表2 不同锻造态的30CrNi2MoV钢的拉伸强度和延伸率
Table 2 Tensile strength and elongation of 30CrNi2MoV steel under different
forging states
锻造工艺抗拉强度/MPa延伸率/%A1 043.635.65B1 161.637.80C1 157.436.13
2.3 低温冲击性能及硬度
将分别经过3种锻造工艺：2次镦拔锻造、2次镦拔+1次镦粗和2次镦拔+1次镦粗
+1次拔长的试样分成3组，每组3个试样，依次在-40 ℃下进行冲击试验，在显微硬度
仪上测量其硬度.经冲击试验后断口形貌如图3所示，冲击韧性和硬度大小列于表3.
从图3看出，图3(a)、(b)中的组织更加均匀，表面细小韧窝较多，几乎无枝晶，从
而提高锻件的力学性能.从表3可以看出，与未经过锻造工艺处理的锻件相比，经过锻造
处理的锻件，其硬度得到了一定程度的提高,从而提高了锻件的耐磨性.与此同时,其冲击韧
性大幅提高，大约是原来的两倍多.
图3 30CrNi2MoV钢的冲击断口形貌
Fig.3 Impact fracture morphology of 30CrNi2MoV steel: (a) two times
pressing and one drawing + one upsetting process; (b) two times pressing and
one drawing + one upsetting + one stretching process
这说明锻造工艺对钢件的冲击韧性有一定影响，其中2次镦拔+1次镦粗后锻件内部
的一些孔洞、疏松等缺陷消失，致使晶粒尺寸变小得到细化，极大提高了锻件的力学性能，
对其冲击韧性的影响最大.但是，经过2次镦拔+1次镦粗+1次拔长工艺后，冲击韧性略
有下降，这可能由于再次拔长使得锻件内部的枝晶等缺陷有回复的趋势.
表3 不同锻造态30CrNi2MoV钢的冲击韧性和硬度
Table 3 Impact toughness and hardness of 30CrNi2MoV steel under different
forging states
工艺Akv,-40 ℃/J123平均值硬度
(HB)A4B9811C83889087375
3 结 论
1) 经过2次镦拔+1次镦粗和2次镦拔+1次镦粗+1次拔长锻造工艺处理后，在微观
组织方面，30CrNi2MoV钢的晶粒尺寸变小，晶粒更加细化、均匀化.
2) 相比较未经锻造处理的30CrNi2MoV钢，经过锻造工艺处理后，尤其是2次镦拔
+1次镦粗锻造工艺，其在力学性能方面得到了大幅提升,其抗拉强度和延伸率分别达到1
161.6 MPa和37.80%，大约比原来提高了120 MPa和2.2%.
3) 经过2次镦拔+1次镦粗锻造工艺处理后，在不降低其硬度的情况下，明显提高了
30CrNi2MoV钢的冲击韧性，从原来的40.33 J增加到103 J，几乎为原来的2.5倍，同
时耐磨性也有所提高.
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