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亞溫淬火對22SiMnCrNi2MoA鋼組織和性能的影響

2019-08-12 03:08姜世杭朱智峰徐有巖丁曉亮
關鍵詞:塊狀鐵素體馬氏體

姜世杭, 朱智峰, 徐有巖, 丁曉亮

(1. 揚州大學機械工程學院, 江蘇 揚州 225127; 2. 江蘇捷凱電力器材有限公司, 江蘇 揚州 225233)

22SiMnCrNi2MoA鋼是一種低碳馬氏體鋼,具有較高的強韌性能,被廣泛用于制作釬具零件或機械.劉群等[1]研究了22SiMnCrNi2Mo鋼淬火后不同溫度回火對組織和性能的影響, 發(fā)現(xiàn)200 ℃回火時材料具有較好的強度、硬度和塑韌性; 秦曉峰等[2]提出FF710鋼通過連續(xù)冷卻可在過渡區(qū)及基體得到馬氏體和貝氏體為主的復相組織,具有明顯的強韌化效果.上述研究成果探討了常規(guī)熱處理工藝對組織和強韌性的影響, 但未考慮材料的低溫沖擊性能.亞溫淬火是在Ac1~Ac3之間加熱淬火的一種熱處理工藝,也是低、中碳低合金鋼強韌化的有效途徑之一.Jiang等[3]的研究表明增加亞溫淬火可以降低TMCP齒條鋼的韌脆轉變溫度, 提高韌性; Tao[4]和Xie[5]等研究了低碳低合金鋼淬火-亞溫淬火工藝的組織和性能,得到條狀鐵素體與馬氏體組織, 獲得了高的低溫韌性; Xie等[6]通過兩步臨界熱處理, 在低合金鋼中獲得了穩(wěn)定的細小膜狀殘余奧氏體, 穩(wěn)定的殘余奧氏體不僅有利于提高材料的塑性,而且還能提高低溫韌性; Yan等[7]通過與常溫淬火對比, 發(fā)現(xiàn)亞溫淬火后的C-Mn-Si鋼強度和延伸率乘積較高, 但殘余奧氏體對應變的改變更為敏感; Su等[8]研究了低碳中錳鋼臨界熱處理后組織中奧氏體體積分數(shù)與韌性的關系, 指出逆變奧氏體的穩(wěn)定性影響了材料斷裂的形式; Farivar等[9]研究了滲碳后不同熱處理對韌性的影響,發(fā)現(xiàn)隨貝氏體和殘余奧氏體數(shù)量的增加,材料的韌性提高,而鐵素體和馬氏體數(shù)量的增加,降低了材料的韌性; Li[10]指出30CrMnSi鋼在840 ℃亞溫淬火時,能有效提高材料的強度和硬度.本文擬研究不同溫度直接亞溫淬火對22SiMnCrNi2MoA鋼的組織結構、強度及低溫韌性的影響,為此類鋼材的推廣應用提供熱處理依據(jù).

1 材料及方法

試驗材料為上海寶鋼產(chǎn)22SiMnCrNi2MoA鋼, 其化學成分為wC=0.22%,wSi=1.38%,wMn=1.36%,wCr=0.37%,wNi=1.50%,wMo=0.35%.試驗熱處理工藝采用原材料直接亞溫淬火+回火, 22SiMnCrNi2MoA鋼的Ac1和Ac3分別為705, 845 ℃, 本文亞溫淬火溫度分別設為840, 830, 820, 810 ℃, 回火溫度采用200 ℃.按《GB/T 228.1—2010金屬材料 拉伸試驗 第1部分: 室溫試驗方法》加工成室溫拉伸標準試樣,按《GB/T 229—2007金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》加工成V型缺口標準沖擊試樣, 每個溫度下拉伸和沖擊試樣各3個, 試驗結果取平均值.

拉伸試驗在長春試驗機研究所有限公司生產(chǎn)的DMS100萬能材料試驗機上進行,低溫沖擊試驗在北京納克分析儀器有限公司生產(chǎn)的NI300F沖擊試驗機上進行; 用德國LEICA DMI3000M金相顯微鏡觀察金相組織, 并用Image-Pro Plus軟件計算鐵素體面積比例, 通過面積百分數(shù)表征鐵素體量; 用德國Bruker-AXS公司生產(chǎn)的D8 Advance多晶X-射線衍射儀進行物相測試, Jade5.0軟件分析衍射數(shù)據(jù); 用日本日立S-4800Ⅱ場發(fā)射掃描電鏡觀察組織形貌, 荷蘭PHILIPS XL30-ESEM掃描電子顯微鏡觀察低溫沖擊斷口形貌.

2 結果與分析

2.1 組織形貌

圖1為22SiMnCrNi2MoA鋼在不同溫度亞溫淬火并進行200 ℃回火后的顯微組織.圖1顯示, 組織都為回火馬氏體和少量鐵素體,其中810 ℃淬火時鐵素體形狀表現(xiàn)為局部密集分布的塊狀、分散分布的小塊狀、條狀和顆粒狀; 820 ℃時鐵素體基本為較分散的塊狀、條狀和顆粒狀; 830 ℃時鐵素體量明顯減少, 為小塊狀、條狀和顆粒狀; 840 ℃時則只有少量的小塊狀、條狀和顆粒狀鐵素體.

圖1 22SiMnCrNi2MoA鋼亞溫淬火的顯微組織Fig.1 Microstructure of subcritical quenched 22SiMnCrNi2MoA steel

圖2為840 ℃淬火時材料的掃描電鏡圖.從圖2可以看出,馬氏體形態(tài)主要有圖2(a)中A、B、C區(qū)所示的3種形態(tài), 圖2(b)顯示各組成中晶界清晰, 圖2(c)~(e)表明A區(qū)馬氏體晶內(nèi)是明顯的板條結構,B區(qū)馬氏體晶內(nèi)保持了部分板條結構,而C區(qū)馬氏體晶內(nèi)包含幾個不同取向的馬氏體束, 其他溫度淬火處理得到的材料中馬氏體的形態(tài)類似.

圖2 840 ℃亞溫淬火時22SiMnCrNi2MoA鋼的掃描電鏡圖Fig.2 SEM microstructure of 22SiMnCrNi2MoA steel subcritical quenched at 840 ℃

2.2 力學性能

圖3 亞溫淬火溫度對22SiMnCrNi2MoA鋼力學性能的影響Fig.3 Effect of subcritical quenching on mechanical properties of the 22SiMnCrNi2MoA steel

圖3為不同溫度亞溫淬火所得材料的力學性能.由圖3可見, 22SiMnCrNi2MoA鋼的強度和低溫韌性均隨亞溫淬火溫度的升高而提高,屈服強度的增長速率比抗拉強度大; 當溫度高于820 ℃時, 亞溫淬火溫度對材料的抗拉強度影響較小, 而高于830 ℃時對屈服強度的影響較小, 故840 ℃時材料的強度和低溫韌性最好, 此時, 屈服強度Rp0.2=1 417 MPa, 抗拉強度Rm=1 553 MPa, -40 ℃沖擊吸收能量為48.4 J.

2.3 組織和性能分析

22SiMnCrNi2MoA鋼原材料的硬度為32~35 HRC, 圖4為原材料顯微組織.從圖4可以看出,原材料組織為鐵素體和托氏體, 且托氏體分布不均勻,局部區(qū)域鐵素體較多.810 ℃加熱時, 元素擴散慢,由于奧氏體是在珠光體上成核,因此珠光體少而鐵素體較多的區(qū)域中鐵素體消失較慢, 所以在810 ℃淬火組織中存在局部密集分布的塊狀鐵素體.用Image-Pro Plus軟件分析得到, 810,820,830, 840 ℃淬火時組織中鐵素體量分別約為2.79%, 1.37%, 0.24%, 0.09%.820 ℃淬火比810 ℃淬火時鐵素體量減少了近一半,鐵素體形態(tài)也由局部密集分布的塊狀、分散分布的小塊狀、條狀和顆粒狀轉變?yōu)榉稚⒎植嫉纳倭繅K狀、條狀和顆粒狀,局部密集分布的大塊狀鐵素體基本消失(圖1(b)), 而屈服強度升高了140 MPa, 抗拉強度升高了73 MPa, 沖擊吸收能量(-40 ℃) 升高了1.7 J; 830 ℃淬火比820 ℃淬火時鐵素體量雖然也減少了1.13%,但屈服強度僅升高了40 MPa, 抗拉強度升高了7 MPa, 沖擊吸收能量(-40 ℃) 升高了1.5 J, 故局部密集分布的大塊狀鐵素體對強度的影響大于對低溫韌性的影響; 830,840 ℃淬火時,鐵素體形態(tài)基本為小塊狀、條狀和顆粒狀,由于塊狀鐵素體量已經(jīng)很少,屈服強度只升高了40 MPa, 抗拉強度只升高了3 MPa, 沖擊吸收能量(-40 ℃) 升高了0.6 J, 表明塊狀鐵素體對低溫韌性有較大的影響.硬度低、塑性好的鐵素體能阻礙裂紋擴展,但粗塊狀鐵素體使馬氏體難以最大限度地分開,故斷裂時,裂紋不一定會通過韌性好的鐵素體;所以810 ℃淬火時局部密集分布的大塊狀鐵素體起不到阻礙裂紋擴展的作用,使其低溫韌性較低;溫度升高后,鐵素體分布的分散性增大,阻礙裂紋擴展的作用增加,使材料低溫韌性提高.

低溫韌性除了與鐵素體的量和形態(tài)有關,還和殘余奧氏體等有關.圖5為不同溫度下亞溫淬火后材料的XRD圖譜.從圖5可見, 材料主要為鐵素體(馬氏體,α-Fe), 810 ℃亞溫淬火時沒有奧氏體峰, 820,830,840 ℃亞溫淬火時材料中出現(xiàn)極少的奧氏體(γ-Fe), 且隨著淬火溫度的升高,殘余奧氏體的含量逐漸增加,材料的低溫韌性增大,這是因為殘余奧氏體是韌性相,具有阻止裂紋擴展的能力,因而能提高材料的低溫韌性.

圖4 22SiMnCrNi2MoA鋼原材料顯微組織Fig.4 Microstructure of raw material of 22SiMnCrNi2MoA steel

圖5 22SiMnCrNi2MoA鋼試樣的XRD圖譜Fig.5 XRD spectrum figures of 22SiMnCrNi2MoA steel sample

圖6為不同溫度淬火下材料斷口的掃描電鏡圖.由圖6可見, 810 ℃淬火時, 韌窩分布很不均勻, 局部出現(xiàn)了很大的韌窩,而其余部分的韌窩較淺.隨著淬火溫度的升高,大韌窩減少, 韌窩變深,840 ℃淬火時為深且均勻的韌窩.斷口形貌韌窩的變化也驗證了材料韌性的變化規(guī)律.

圖6 不同溫度淬火下材料斷口的掃描電鏡圖Fig.6 The SEM fracture morphology of 22SiMnCrNi2MoA steel quenched at different temperatures

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