通过热稳定的MC碳化物，提高新型Cr–Ni–Mo–V–W炮钢的高温变形抗性

《Materials Science and Engineering: A》：Improvement of high-temperature deformation resistance in a novel Cr–Ni–Mo–V–W gun steel via the thermally stable MC carbides

高温变形条件下HGS钢与32CrNi3MoV钢的力学性能及微观结构对比研究表明，HGS钢通过优化成分（添加W并调整Cr、Mo、V含量）形成热稳定的纳米级MC碳化物，使其在600℃时抗拉强度达748MPa，较常规钢提升43%，同时低周疲劳性能显著改善。碳化物稳定性和晶界取向关系是关键强化机制。

　　

赵超|贾晓斌|王书静|徐宁|张健|赵彩燕|曲普|陈俊宇

中国北方大学机械与电气工程学院，太原，030051，中华人民共和国

摘要

随着下一代枪械系统的快速发展，对枪管的使用要求也在不断提高，特别是对枪管钢材的高温变形抗性的要求日益严格。本研究对比分析了新型HGS钢与传统32CrNi3MoV钢在高温下的拉伸和疲劳性能。实验结果表明，HGS钢在600°C时的极限抗拉强度达到了748 MPa，比32CrNi3MoV钢提高了43%。同样，在600°C条件下，HGS钢的低周疲劳寿命也明显优于32CrNi3MoV钢。微观结构分析显示，高温变形后，HGS钢中的MC碳化物保持了稳定的纳米级结构，而传统钢材中的θ-M₃C碳化物则发生了显著粗化。此外，MC碳化物与基体之间的界面遵循Baker–Nutting（B–N）取向关系，并且晶格失配度较低。因此，这些热稳定的MC碳化物的沉淀强化效应是HGS钢具有出色高温变形抗性的关键因素。

引言

现代军事技术的快速发展大大提高了对枪管性能的要求。作为火器和自动武器系统的关键结构部件，枪管直接影响武器的整体使用寿命[1]，包括持续射击能力[2]、射击精度[3]和操作可靠性[4]。在连续高速射击过程中，枪管内表面会受到极端的热、机械和化学环境的影响，包括接近3000 K的瞬态温度、超过600 MPa的内压、燃烧气体的化学侵蚀、弹丸运动引起的摩擦磨损以及循环机械应力[5,6]。这些恶劣的工作条件导致枪管材料内部出现复杂的退化和失效机制。因此，提高枪管钢材的高温强度和疲劳抗性已成为开发长寿命武器系统的迫切技术需求。

从失效机制的角度来看，枪管的主要退化模式与高温性能不足密切相关。枪管失效是由热载荷、机械应力和化学侵蚀的协同作用引起的。已经识别出几种不同的失效模式[[7], [8], [9]]。具体来说，关于侵蚀和烧蚀现象，I. Aftanaziv和Raju A指出，高温推进剂气体与枪管表面之间的剧烈化学反应会导致基体软化和熔化，随后被高速气流侵蚀[10,11]。此外，Igor S. Batraev和Ao Wei观察到，弹丸或弹壳产生的摩擦会加剧表面磨损，导致膛线退化、枪管内径扩大，最终影响弹丸在枪管内的运动稳定性[12,13]。在热疲劳裂纹方面，B. Rajasekaran指出，枪管表面在射击过程中会快速升温，升温速率可达10⁶ °C/s，随后在接触空气或冷却剂时迅速冷却。Cheng Zhang进一步报告说，这些极端的热循环会引起交替的热应力，从而促进表面“类似裂纹”的热疲劳裂纹的产生和扩展[14,15]。在持续射击过程中，强烈的高温交变载荷会在应力集中区域（如膛线根部和炮室区域）产生机械应力[16]。

枪管材料的发展逐渐集中在提高其机械性能上，这一发展得益于对火器失效机制的深入理解。中碳Ni-Cr-Mo钢（如AISI 4340）在室温下的抗拉强度为1–1.1 GPa；然而，这种钢材在约400°C时强度显著下降，表明其不适合用于高速射击武器[17]。此外，中碳高强度钢（如SAE 9310）具有较高的疲劳强度和HRC 40–45的表面硬度[18]。30CrNiMo8钢通过改进的纯化和晶粒细化工艺提高了韧性[19,20]。电渣重熔（ESR）钢（如32CrNi3MoV和PCrNi3MoV系列）通过ESR处理显著降低了杂质（S、P）和夹杂物的含量，从而提高了横向塑性、冲击韧性和疲劳寿命[21,22]。然而，现有的枪管材料（包括Cr-Mo和Ni-Mo钢）存在奥氏体和碳化物的晶粒粗化或相变问题。特别是，这些钢材的强化机制依赖于M₃C碳化物，但在高温下其热稳定性有限，容易导致晶粒粗化和转变为M₇C₃和M₂₃C₆相，从而降低了其在高温下的强度[23,24]。近年来，超高强度马氏体时效钢（如18Ni (350)和Maraging 300）的抗拉强度达到了2.0至2.4 GPa。马氏体不锈钢（如1Cr13、2Cr13和GX-8）因其优异的强度和抗侵蚀性能而被研究用于枪管[25,26]。但由于这些材料合金含量较高（>10 wt%），在复杂应力条件下容易发生脆性断裂[27,28]。此外，它们的强化机制依赖于金属间化合物相，当温度超过400°C时强度会显著下降[29,30]。因此，高合金钢仍处于开发阶段，目前尚未有实际应用案例。这些挑战凸显了开发下一代枪管材料的迫切性。从成分设计的角度来看，特别是在枪管钢材中，应采用多元素微合金化和精确调控纳米级沉淀相的方法，以实现高温强度和疲劳抗性的平衡提升[31]。

基于前期研究的成果，本研究通过系统优化传统32CrNi3MoV钢的化学成分，开发出了一种新型HGS钢。关键成分调整包括将铬（Cr）含量从1.35 wt%降低到0.65 wt%以抑制富Cr碳化物的形成，将钼（Mo）含量从0.40 wt%增加到1.60 wt%，将钒（V）含量从0.15 wt%增加到0.30 wt%以促进MC碳化物的沉淀，并添加0.60 wt%的钨（W）以提高MC碳化物的热稳定性。本研究系统比较了新型HGS钢与传统32CrNi3Mo2WV钢在高温拉伸和低周疲劳性能上的差异。通过对HGS钢和32CrNi3MoV钢在高温拉伸和低周疲劳条件下的微观结构演变进行表征，揭示了HGS钢变形抗性提升的强化机制。分析重点关注了具有高热稳定性的MC碳化物。实验结果用于评估HGS钢在下一代枪管应用中的潜力。

样本制备

样品制备

HGS钢和32CrNi3MoV钢通过30公斤真空熔炼工艺制备，其化学成分详见表1。在氩气保护下，钢锭在1230°C下进行24小时的均匀化处理。之后，钢锭在1000°C以上温度下锻造成直径为85毫米的棒材。这些棒材随后在850°C下保温6小时进行退火，然后通过炉冷至室温。接下来，对HGS钢进行...

高温机械性能测试

图1(a–c)展示了HGS钢和32CrNi3MoV钢在不同温度下的机械性能，具体包括室温、400°C、500°C、550°C和600°C。HGS钢和32CrNi3MoV钢在室温下的极限抗拉强度（UTS）相似。当温度超过500°C时，两种材料的抗拉强度和屈服强度（YS）差异逐渐明显。值得注意的是，HGS钢的极限抗拉强度为748 ± 12 MPa，屈服强度为603 ± 14 MPa

讨论

根据高温机械性能测试和微观结构表征结果，MC碳化物在提高HGS钢的高温变形抗性方面起着关键作用，这主要归功于其出色的热稳定性。因此，本节全面讨论了MC碳化物的热稳定性、高温强化机制以及HGS钢作为枪管材料的优势

结论

• (1)
  与传统的32CrNi3MoV钢相比，新型HGS钢在600°C下的高温变形抗性显著提高，表现为更高的抗拉强度、抗疲劳性和抗蠕变性。这一改进主要归因于添加了W、Mo和V元素，这些元素有助于形成热稳定性高的MC碳化物。
• (2)
  高温变形后，HGS钢中的MC碳化物表现出稳定的...

作者贡献声明

赵超：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金获取，正式分析，概念构思。贾晓斌：研究，数据管理。王书静：研究，数据管理。徐宁：研究，数据管理。张健：研究，数据管理。赵彩燕：研究，数据管理。曲普：研究，数据管理。陈俊宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了山西省基础研究计划（编号202203021222065）、国家自然科学基金（编号52405435）、智源实验室（编号ZYL2024015）以及山西省特殊环境先进金属材料重点实验室启动基金（编号AMMSE-2024-002）的资助。