20Si2Mn2CrNi钢是一种具有良好综合力学性能的低合金高强钢，可承受低温冲击磨损等恶劣工况环境。由于该钢在锻造过程中加热和冷却缓慢及组织遗传特征，使得锻后混晶组织在后续淬火回火过程中得不到消除，极大地削弱了锻件的力学性能。通常锻后组织可采用正火、球化退火、亚临界正火热处理，使奥氏体晶粒发生再结晶，有效细化奥氏体晶粒，从而消除锻造过程中出现的晶粒粗化和混晶现象。

     本文在正火处理和球化退火处理不能细化和消除锻后混晶组织的情况下，采用亚临界正火预备热处理，达到有效消除混晶、细化晶粒、提高强韧性的目的，建立该钢种完善的热处理控制工艺。

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实验材料及方法

1.1　试验材料

     试验用低合金高强钢的化学成分如表1所示，使用ZG-50真空中频感应冶炼炉冶炼浇铸，铸锭经锻造后取样进行后续热处理。

    使用L78型淬火膨胀仪测得该试验钢的相变点Ac3=862℃，Ac1=762℃，Ms＝400℃。根据相变临界点，制定正火＋淬火＋低温回火工艺（如图1所示），然后进行显微组织和力学性能对比分析。正火预处理温度为780、800、820、840、860 ℃，保温2ｈ；淬火温度为900、920、950 ℃。根据试样尺寸，冲击试样保温20min，拉伸试样保温30min，淬火介质为12％ PAG 淬火液；回火温度为280 ℃，保温3h。

     按照GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》、GB/T6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》，采用蔡司光学显微镜和Zeiss sigma 300场发射扫描电镜进行显微组织和晶粒度测量；按照GB/T19748-2019《金属材料　夏比Ｖ 型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法》和GB/T228.1-2021《金属材料　拉伸试验　第1部分：室温试验方法》，采用NI500C摆锤式冲击试验机和MTS EXCEED电子万能材料试验机进行力学性能测试；采用Touch Rock150触摸屏数显洛氏硬度计进行硬度测试。

2.2　正火温度对奥氏体晶粒的影响

     图3为不同温度正火后的试样再经920 ℃淬火和280 ℃回火后的晶粒形貌。可以看出，在直接淬火和回火后的晶粒尺寸较大，晶粒度为5.5 级，平均晶粒尺寸53.4 μｍ。而在淬火前进行临界区高温预正火时，晶粒尺寸细化明显。这是由于在Ac1～Ac3两相区保温可得到大量细小且均匀的球形奥氏体晶粒，阻断粗大晶粒的“遗传”，细化晶粒 。正火温度为780 ℃时的晶粒度最大，为8.57级，平均晶粒尺寸为18.2μｍ；正火温度为820℃时的晶粒度为8.28级，平均晶粒尺寸为19.4μｍ；正火温度为860 ℃时的晶粒度最小，为6.96级，平均晶粒尺寸为34.9μｍ。随着正火温度的升高，奥氏体晶粒尺寸不断变大，这可能是析出相造成的钉扎晶界，阻碍了晶界运动，在正火温度越高时，合金元素的扩散驱动力增大，析出相溶解加快，钉扎作用减弱，晶界运动阻力减小，使奥氏体晶粒不断长大。

2.3　正火温度对力学性能的影响

     图4为不同温度正火后的试样再经920 ℃淬火和280 ℃回火后的力学性能。由图4可知，随着正火温度的升高，试验钢的冲击性能、硬度和强度大致呈先升高后降低的趋势。综合对比分析，正火温度在820 ℃时可以得到最佳的力学性能。这种力学性能变化的原因主要由于不同正火温度改变或调节了锻后组织分布和铁素体晶粒尺寸。正火温度在780℃ 时，奥氏体晶粒尺寸较小，但由于组织中存在少量未溶铁素体，这些未溶铁素体以针状或块状的形态保留下来，且碳和合金元素未充分溶解，最终导致性能较差。随着正火温度的升高，在临界奥氏体化温度范围时，钢材可以溶解更多的合金元素，即固溶强化作用增强，导致材料的强度和硬度升高。当正火温度（860 ℃）过高时，奥氏体晶粒变的粗大，存在混晶，导致力学性能下降。因此，确定正火温度选择820 ℃最为合适。

2.4　淬火温度对微观组织和晶粒的影响

    图5为试验钢经820℃ 正火＋ 不同温度淬火＋280 ℃回火后的显微组织和晶粒形貌。由图5（a～c）可以看出，经热处理后试验钢的组织为板条状回火马氏体和少量渗碳体，马氏体具有较高的位错密度和较强的位错强化效果，可以分割原有的奥氏体，细化组织，并且回火时析出了弥散分布的碳化物，产生第二相析出强化，具有一定韧性，随着淬火温度的升高，析出相逐渐溶解，马氏体板条明显粗化。淬火温度为900℃时板条状马氏体相对短小且无序，组织相对不均匀；淬火温度为920 ℃时马氏体板条细长且数量增多，板条束有序，方向性强，组织细小、分布均匀；淬火温度为950不均匀。根据图5（d～f），通过截点法计算得出淬火温度分别在900、９920、950 ℃时奥氏体晶粒度和晶粒尺寸。淬火温度为900 ℃时的晶粒度最大，为8.45 级，平均晶粒尺寸为19.4μｍ；淬火温度为920 ℃时晶粒度为8.28级，平均晶粒尺寸为20.5μｍ；淬火温度为950 ℃时晶粒度为7.11 级，平均晶粒尺寸为30.8μｍ。随着奥氏体化温度的升高，晶粒尺寸逐渐变大，淬火温度为900和920 ℃时奥氏体晶粒尺寸差距不大，皆比较均匀、细小，而淬火温度为950 ℃时奥氏体晶粒尺寸明显变大。

2.5　淬火温度对力学性能的影响

    图6为试验钢经820 ℃ 正火＋ 不同温度淬火＋280℃回火后的力学性能。由图6可知，淬火温度为920 ℃时力学性能最优，硬度为43.9HRC、冲击吸收能量为82.6J、抗拉强度为1513.35MPa、屈服强度为1221.92MPa、伸长率为14.65％ 。由于试验钢在淬火后得到板条状马氏体组织，所以淬火后的硬度较高。淬火温度影响奥氏体在分配过程中的热力学稳定性，随着淬火温度的升高，奥氏体中的合金成分变得更加均匀，奥氏体尺寸变大，奥氏体的稳定性越来越好，淬火后的残留奥氏体含量增加，使得钢的硬度降低。淬火温度为900 ℃ 时，组织中存在少量未溶碳化物，使得韧性和强度较低。淬火温度为920 ℃时，碳化物溶解变少，使韧性和强度上升，淬火温度为950 ℃时，碳和合金元素的扩散能力增强，将有更多的碳化物溶解，使得奥氏体晶粒长大的阻力变小，晶粒变大，使得试验钢在较高温度下板条马氏体发生粗化，马氏体粗化会导致组织界面能降低，同时影响了钢的强度和韧性，使钢的强度和韧性均下降。