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等温淬火处理40MnB结构钢的组织及力学性能(一)

点击率:    发布时间:2015/1/28 15:27:13    信息来源:上海钜利金属

1 前言
 
  为提高燃料利用率,汽车阀簧和悬簧趋于小型和轻量化,弹簧用钢的强度进一步增加。但是,高强度化的钢材对于腐蚀凹痕和缺陷等的缺口敏感性高,所以要求改善延韧性。目前,对JIS标准弹簧钢(例如,Si-Cr系、Si-Mn系和Si-Cr-Mn系)的化学成分,提出了添加改善韧性和抗腐蚀性的元素Ni以及细化晶粒和提高抗延迟断裂性的元素(V、Ti)。但是,这些钢材大多含有稀土金属,所以易受资源枯竭和需求波动的影响,高成本成为问题。因此,要求使用货源充足、价格便宜的普通弹簧钢实现高强度和高延韧性兼顾的组织控制技术。
 
  普通弹簧钢水平的含C、Si钢进行等温淬火处理,如果贝氏体组织转化,就会含有大量的残余奥氏体。残余奥氏体如果负荷应力,就会转变为马氏体,引起伸长率变大和韧性提高的相变诱导塑性现象的产生,因而认为添加Si钢可获得高延韧性。
 
  将厚度1mm的普通弹簧钢SUP6(Si-Mn系)板材等温转变,获得贝氏体和残余奥氏体双相混合组织,残余奥氏体量越多,其延性越大,发现由于塑性形变,残余奥氏体一部分诱发转变为马氏体。虽然有关于等温淬火处理的中碳钢,Si、Mn等合金元素对组织及力学性能影响的研究,但对组织和力学性能相关性的研究报告较少,没有关于普通弹簧钢方面的报告。
 
  为此研究了等温淬火处理的普通弹簧钢SUP12(Si-Mn-Cr系)的组织和力学性能,介绍了含有残余奥氏体和马氏体的下贝氏体组织显示出的良好强度-延展性平衡。以S55C材为基准,对增加Cr及Si含量的普通弹簧钢,观察了等温淬火处理后的显微组织。由于增加了Cr、Si含量,抑制了碳化物(渗碳体)的形成,残余奥氏体比率增加。但是,没有对这些等温淬火处理材的力学性能进行深入研究。
 
  本文为了研究贝氏体组织适用普通弹簧钢,明确Cr、Si含量不同的中碳钢进行等温淬火处理时的组织和力学性能的关系。明确轻量化高强度弹簧要求的抗拉强度1800MPa以上,可获得延韧性优良的组织。
 
  2 试验方法
 
  2.1 试样材料
 
  试样材料使用JIS标准钢S55C、SUP9、SUP7和SUP12。以S55C的化学成分为基准时,各元素中有些差异,SUP9比S55C增加了Cr含量,SUP7比S55C、SUP12比SUP9增加了Si含量。
 
  2.2 热处理条件
 
  S55C钢使用直径Φ4mm,SUP9、SUP7和SUP12三种钢使用直径Φ12mm的试样材料,将各试样材料在炉中进行奥氏体化后1000℃,0.4ks,投入到调整到300℃或400℃的盐浴中,保持10ks~59.4ks后水冷。为了比较,对上述各试样进行相同的奥氏体化之后,在60℃的油里淬火,保持180s后,在275℃~560℃温度进行3.6ks的回火处理后制备成试样。另外,S55C试样材料的直径为Φ12mm时,钢内部因淬火不充分硬度变低,所以,在该热处理条件下采用直径Φ4mm的试样。
 
  2.3 组织观察及晶体结构图
 
  对上述热处理后的试样,以横断面为观察面埋入树脂后,用金刚砂纸进行湿式研磨和用胶态氧化硅抛光研磨,在3%硝酸乙醇腐蚀液(HNO3 3ml+C2H5OH 97ml)中腐蚀5s~10s,制备成组织观察用试样。在这些试样的横断面,从试样的外周表面向中心相当于直径1/4的位置,用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察了该位置的组织。
 
  用上述的抛光研磨精加工的试样,采用电子背散射衍射(EBSD)获得晶体结构图。
 
  2.4 残余奥氏体的比率及C含量
 
  用组织观察中使用的抛光研磨精加工的埋入树脂后的试样,对横断面整体,采用CoKα线的X射线衍射,由公式(1)求出残余奥氏体(γ)的比率。
 
  Vγ=1/{1+(Iα/Rα)/(Iγ/Rγ)} (1)
 
  式中:Vγ为γ相的体积分率;Iα及Iγ分别为对应铁素体相和马氏体相的α相及γ相的衍射线的积分强度;Rα和Rγ分别为α相及γ相的R值(由照射条件决定的常数)。
 
  α相分别测定了α(200)、α(211)衍射线的积分强度;γ相测定了γ(200)、γ(220)的衍射线的积分强度,将两相峰值组合求出的4个残余奥氏体比率的平均值作为代表值。
 
  残余奥氏体中的碳含量,对抛光研磨精加工的横断面整体,采用CoKα线的X射线衍射测定γ(111)、γ(200)、γ(220)及γ(311)的各衍射角,通过采用cos2θ的外插法求出晶格常数(αγ),该常数由公式(2)所示的αγ和C含量的关系决定。
 
  αγ(nm)=0.3573+0.0033×(mass%C) (2)
 
  2.5 强度试验
 
  拉伸试验是以热处理后的材料为原料,通过切削加工,SUP9、SUP7和SUP12用平行部直径Φ6mm,标距30mm的圆棒试样,S55C用平行部直径3.8mm,标距18mm的圆棒试样(JIS X 2201规定的14A号试样)。对这些试样,使用万能精密拉伸试验机以2.8×10-3/s的速度进行拉伸试验,测定了抗拉强度和0.2%屈服强度。应变测定是在试样平行部靠近应变仪来进行测定。并对照断口分别求出断裂伸长率和断面收缩率。此外,本试验所用的拉伸试样形状S55C和SUP9、SUP7、SUP12有所不同。一般拉伸特性值受试样形状的影响,但本试验所用的试样,认为圆棒直径和标距的比率基本相同,对断裂伸长率的影响小,材料组织在标点之间均匀性高,试样形状对拉伸特性值的影响小。
 
  夏比冲击试验采用长55mm、边长10mm的正方形断面、深2mm、45°V型缺口的试样(JIS Z 2202规定的V型缺口)。试样取自上述圆棒试样材料(直径Φ50mm),进行和2.2节相同条件的热处理,然后在室温下进行冲击试验,求出冲击功。