（材料加工工程专业论文）悬架弹簧用sae9259钢的组织和弹性减退特性的研究.pdf

摘要 本文首先针对轿车悬架弹簧出现的沿晶断裂现象，对所用钢s a e 9 2 5 9 的热 处理工艺进行优化。通过实物试验的验证，认为降低加热温度可以提高回火屈氏 体的韧性，从而提高疲劳寿命的稳定性，避免出现失效弹簧的沿晶脆性断裂。并 且优化工艺已被厂方应用在实际生产。然后为了进一步提高悬架弹簧的使用性 能，通过在3 4 5 等温4 分钟和8 分钟得到回火马氏体和下贝氏体的复合组织， 硬度值比回火屈氏体稍低，冲击韧性值都比回火屈氏体高。这说明具有适当含量 下贝氏体的复合组织，能够具有比回火屈氏体更高的冲击韧性值，从而通过提高 其抵抗临界过载的能力，改善抗疲劳性能。 在强韧化处理的基础上，针对高强度悬架弹簧高应力化的特点，把研究相关 组织的弹性减退特性作为重点。在评估了历史上的各种测试弹性减退的试验方法 之后，从分析弹簧服役时的运动方式必然造成滞弹性入手，指出滞弹性是造成弹 性减退的根本原因。因而提出了一种用试样测试弹性减退的新方法，即采用控制 总应变，以弹性滞后环包围的面积来表征滞弹性所耗散的能量，来量化弹性减退 的能量效应。并由此发现，循环应变硬化指数n i 与组织本身强度有关，回火届氏 体比复合组织抵抗弹性减退的能力强。但在复合组织中，由于回火马氏体和下贝 氏体交互作用而产生循环硬化，会延缓弹性减退的进程。单一的马氏体经中温回 火后得到的回火屈氏体组织，会通过循环软化而发生弹性减退。弹性减退是在弹 性变形范围内，滞弹性引起的微塑性应变累积而产生的能量耗散。因出现了弹性 应变之外的微塑性应变，所以造成了弹性减退。任何减小微塑性应变的措施都会 提高抵抗弹性减退的能力。弹性减退是在疲劳载荷下，微塑性变形累积的宏观现 象，是微观的应变损伤。 关键字：弹性减退 滞后弹性马氏体下贝氏体弹簧钢 a b s t r a c t t h ea r t i c l ef i r s to p t i m i z e dt h eh e a tt r e a t m e n to f s a e 9 2 5 9s t e e lf o rs e d a ns u s p e n s i o n s p r i n gd u e t ot h e p r e v i o u sr u p t u r ea l o n g t h eb o u n d a r y b a s e do nt h er e s u l to f s u s p e n s i o ns p r i n gt e s t ，i ti sb e l i e v e d t h a td e c r e a s ei nh e a tt e m p e r a t u r e w o u l de n h a n c e t h ed u c t i l eo ft e m p e r e dt r o o s t i t e ，t h e r e f o r ek e e ps t a b i l i t yo ff a t i g u el i f e ，a n da v o i d t o r u p t u r ea l o n g t h eb o u n d a r y t h e o p t i m i z e dp r o c e s sw a sa p p l i e d i nt h em a s s p r o d u c t i o np r o c e s s t h e n i no r d e rt oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so f s u s p e n s i o ns p r i n gi n u s e ，t h ed u p l e xm i c r o s t r u c t u r eo fl o w e rb a i n i t ea n dm a r t e n s i t e w a so b t a i n e dt h r o u g h i s o t h e r m a lh e a t i n ga t3 4 5 。ca n d h o l d i n gf o r 4a n d8m i n u t e s t h ed u p l e x m i c r o s t m c t u r eh a dal o w e rh a r d n e s st h a nt e m p e r e dt r o o s t i t e ，b u th i g h e ri m p a c td u c t i l e t h a nt e m p e r e dt r o o s t i t e t h er e s u l ts h o w e dt h a th ed u p l e xm i c r o s t r u c t u r ew i t hp r o p e r l o w e r b a i n i t e ，w o u l do b t a i nh i g h e ri m p a c td u c t i l et h a nt e m p e r e dt r o o s t i t e ，t h e r e f o r e i m p r o v ef a t i g u ep r o p e r t yb ye n h a n c i n g t h er e s i s t a n c et ot h ec r i t i c a lo v e r l o a d t h e s t u d y o nt h es a g g i n go f r e l a t e dm i c r o s t r u c t u r eb e c a m ev e r yi m p o r t a n t ，b e c a u s e o f h i g h e r s t r e s sd e v e l o p m e n to f h i g h s t r e n g t hs u s p e n s i o ns p r i n go n t h eb a s i so f s t r e n g t h e n i n g t r e a t m e n t o nt h er e s u l to f t h ee v a l u a t i o no f v a r i o u s s a g g i n g t e s t m e t h o d si nh i s t o r y , i ts t a r t e dt oa n a l y s i st h ea n e l a s t i c i t y , w h i c hi st h ea f f i r m a t i v e r e s u l to f m o t i o ns t y l eo f s p r i n gi ns e r v i c e ，a n dp o i n t e do u tt h a ta n e l a s t i c i t yi st h er e a l c a u s e o f s a g g i n g t h e r e f o r ea n e wm e t h o dw a s p r o p o s e d t ot e s ts a g g i n g b ys a m p l e s ， i e t h ea r e ao f e l a s t i ch y s t e r e s i sl o o pw a su s e dt om e a s u r et h ee n e r g y b a s e de f f e c to f s a g g i n g w h i c hi st h ee n e r g y d i s s i p a t i o nb ya n e l a s t i c i t yu n d e r t h ec o n t r o lo f t o t a l s t r a i n i ts h o w e dt h a ts t r a i nh a r d e n i n g e x p o n e n t1 1 w a sr e l a t e dt om i c r o s t r u c t u r e s s t r e n g t h ，a n dt e m p e r e dt r o o s t i t eh a dh i g h e rr e s i s t a n c et os a g g i n gt h a nt h ed u p l e x m i c r o s t r u c t u r e b u tc y c l i ch a r d e n i n gw o u l do c g u r b y t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nl o w e r b a i n i t ea n d t e m p e r e dm a r t e n s i t e ，w h i c hw o u l ds l o wd o w n t h es a g g i n g t h et e m p e r e d t r o o s t i t eo b t a i n e d b yq u e n c h e d m a r t e n s i t et e m p e r i n ga tm i d d l e t e m p e r a t u r ew o u l ds a g t h r o u g hc y c l i cs o f t e n i n g s a g g i n gi st h ee n e r g yd i s s i p a t i o nb yt h ea c c u m u l a t i o no f p l a s t i cm i c r os t r a i nd u e t oa n e l a s t i c i t yi nt h ee l a s t i cr a n g e p l a s t i cm i c r o - s t r a i no u to f t h ee l a s t i cs t r a i ng i v er i s et os a g g i n g a n ym e a s u r e sw h i c hc a l ld e c e a s e p l a s t i cm i c r o s t r a i nw o u l de n h a n c et h er e s i s t a n c et os a g g i n g s a g g i n gw a st h ea c c u m u l a t i o no f p l a s t i cm i c r os t r a i n ，a n dw a sm i c r o c o s m i cs t r a i nd a m a g eu n d e rf a t i g u el o a d k e yw o r d s ：s a g g i n ga n e l a s t i c i t y m a r t e n s i t el o w e rb a i n i t e s p r i n g s t e e l i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期j , - y - ；， 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件， 允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名l 蔹 导师签名：岛! ：达日期：三堂! ：! 上海大掌硕士学位论文 第一章前言 1 1 悬架弹簧的功能特性 现代汽车，特别是轿车常用悬架系统来连接车身与车桥。图1 - 1 所示的是种 轿车的悬架系统，它的作用不仅仅是支撑车身，同时它还能缓和由于路面凹凸不 平所引起的振动，保护驾驶员和装运的货物，并且适当地将车轮压在地面上，使 车辆在行驶时能有效地传递驱动力及制动力。更进一步地说，车辆通过车身与车 轮之间相互作用的各种作用力，使悬架系统能正确定位车轮的位置，确保其在行 驶过程中保持良好的稳定性。而作为悬架系统的重要部件，螺旋弹簧直接起到缓 和振动的作用，和汽车的乘坐舒适性和操作稳定性密切相关。而悬架用的螺旋弹 簧，正是利用了弹簧钢本身弹性极限高，弹性变形范围大，在一定刚度下能保证 卸载后恢复原有形状的特性，来直接起到缓和振动的作用。 图1 - 1 汽车悬架系统中的螺旋弹簧 1 2 各国研究悬架弹簧的情况 根据统计的结果，一辆排量在2 0 l 以下的前轮驱动轿车所用的特殊钢总量为 1 3 4 k g ”，其中包括了悬架弹簧所采用的弹簧钢。虽然不同部位零件的性能要求不 同，但都要求疲劳强度好。然而疲劳强度好的特殊钢硬度高，这就为机加工带来 共6 l 页第1 页 圭兰查兰堡主兰垡堡塞一 了困难。国内外的汽车供应商、特殊钢材料供应商，都在为开发和应用高强度轻 量化的特殊钢作不懈地努力。 作为美国新一代汽车合作攻关计划( p n g v ) 的一部分，英国的l o t u s 工程公司 于2 0 0 0 年5 月在底特律，对他们主持的超轻型钢制汽车悬架( u l s a s ) 计划，首次 发表了他们的研究成果 3 】。 图1 - 2l o t u s 设计的5 种后悬架系统 l o t u s 公司和3 4 家世界领先的钢铁公司紧密合作，用了2 年时间，研究了北 美、欧洲和亚洲各种车型的悬架系统及使用要求，最终设计了5 种后悬架系统( 见 图1 2 ) ，适用于5 种不同等级的车型，从b 级( 小型车) 、c 、d 、e 级( 豪华车) 到 美国的p n g v 车。其中不增加成本，显著降低重量的设计是用于b 级小型车的扭 杆( t w i s t b e a m ) 后悬架系统，整体重量降低幅度高达3 2 ( 图1 3 1 。 共6 l 页第2 页 上海大学 硕士学位论文 il s a , s1 w 抖mi l c s i g n 图1 3 设计前后的t w i s t b e a m 后悬架系统 在原设计基础上进行刨意过程中，l o t u s 公司首先用试验研究了弹簧材料的屈 服强度和弹簧重量的直接关系。在替代设计阶段，他们进一步研究了高强度弹簧 钢的重量与实际使用匹配的情况。为显著降低重量，同时又不牺牲性能，5 种设计 选择弹簧材料时，不约而同地选择了最大工作应力为1 3 0 0 m p a 级的高强度弹簧钢。 图1 - 4 就是他们的研究成果。最大降低弹簧重量的幅度可达到7 0 。 舍 一 筮 惫 妞 蜜 刘 巅 靛 晕 7 0 08 0 09 0 01 0 0 011 0 01 2 0 01 3 0 0 1 4 0 01 5 0 01 6 0 0 最大应力( m p a ) 图1 4 增大弹簧最大许用应力的效果 而日本从1 9 9 7 年4 月就开始实施“超级钢”( u l t r as t e e l ) 研究计划，4 个研究 共6 1 页第3 页 蚰踟加如如加m o i - 海大掌硕士学位论文 课题之一就是研制1 5 0 0 m p a 级耐延迟断裂、疲劳破坏的超级高强度弹簧钢【4 j 。这 是因为分析了目前的超纯净钢的疲劳破坏，在应力为1 2 0 0 m p a ，循环超过1 07 次时， 夹杂物引起的断裂明显增加，难以达到1 2 0 0 m p a 以上的设计应力。为此，其目标 是开发一种超微细化技术，使原来容易引起疲劳破坏的粗大粒子得到细化，从而 获得1 5 0 0 m p a 级的高强度高疲劳强度的弹簧钢。 1 9 9 9 年，b m w 公司专门立项研究了1 1 种高应力高强度弹簧钢f 见表1 - 1 ) ， 比较各类夹杂物的尺寸、分布和疲劳寿命的关系。通过详细地统计和分析各种失 效形式和疲劳断裂机理后，在此基础上，b m w 公司形成了一整套高应力弹簧疲劳 性能的数据库。并找出了对疲劳性能影响最大的因素，及一定高应力条件下不失 稳扩展的极限裂纹长度等成果，为今后使用和选择超纯净弹簧钢提供了参考依据， 将应用于未来的汽车悬架弹簧吼 表1 - 11 1 种高应力弹簧钢 1 3 轻量化和高应力化使弹性减退受到重视 减轻弹簧重量的主要手段有：弹簧的高应力化；改变弹簧的形状使应力分 布均匀化；改变弹簧材料6 1 。由于悬挂弹簧的重量与设计应力的平方成反比，设 共6 l 页第4 页 圭塑查兰墼兰兰笪塑二一 计应力越高，弹簧的重量成倍地减轻，因此最有效地减轻弹簧重量是提高弹簧的 设计应力，也是弹簧的发展趋势。 在弹簧性能不变的情况下，随着设计应力的提高，弹簧线径和有效卷数减少， 弹簧可减重4 0 5 0 ( 表1 - 2 ) ”。 表1 - 2 弹簧设计应力与弹簧重量的关系 伴随着汽车轻量化的进程，弹簧的设计应力不断提高，汽车弹簧的设计应力 已从原来的9 0 0 m p a 级提高到目前的1 2 0 0 m p a 8 1 ( 图1 - 5 ) 。 矗 山 羔 孓 邋 ，b 赵 1 9 7 51 9 8 0i 9 8 71 9 9 11 9 9 7 年 图1 5 轿车螺旋悬挂弹簧最大设计应力的变化 现在国外轿车螺旋悬挂弹簧已开始普遍采用设计应力为1 2 0 0 m p a 级的新一 代超高强度弹簧钢。日本在1 9 9 1 年成功开发的u h s 2 0 0 0 和韩国在1 9 9 6 年开发的 n d 2 5 0 s ( r k 3 6 0 ) 新型弹簧钢，设计应力均为1 3 0 0 m p a 。 为了提高弹簧的设计应力，就需要提高弹簧钢的强度( 硬度1 ，如为了获得 1 2 0 0 m p a 级的设计应力，要求弹簧钢的硬度达到h r c 5 3 f “。而对现有的弹簧钢， 如高s i m n 系的s u p 7 ，在如此高的硬度下，弹簧钢的疲劳行为对夹杂物更为敏感， 共6 i 页第5 页 0 o o o o 0 o o 砌 如 上海大掌硕士学位论文 表层下的兴杂物往往会成为疲劳源，使其疲劳强度与抗拉强度之间不再呈线形关 系，弹减抗力数据的分散度显著也增加。因此，抗疲劳破坏和抗弹性减退就成为 了当今轿车螺旋悬挂弹簧用钢的研究和开发的两大主题。 目前，弹簧钢正向经济性和高性能化方向发展，因此要求弹簧钢具有以下特 征：超高强度( 。b 1 9 6 0 m p a ，h r c 5 4 ) ；高的疲劳强度和耐腐蚀疲劳性能； 良好的弹减抗力；良好的耐延迟断裂性能。 为适应弹簧钢向高应力化和高强度化的发展需要，研究和开发的思路主要从 以下几个方面入手：1 ) 通过减少夹杂物的数量和控制夹杂物的形态来提高疲劳性 能：2 ) 通过固溶强化( 高s i ) 、晶粒细化、析出强化( 添加m o 、v 、n b 等) ；3 ) 通过添 加合金元素来改善延迟断裂和腐蚀疲劳等对环境的敏感性；4 ) 通过形变热处理、感 应热处理、在线热处理和喷丸、表面处理、强压处理等工艺，从而提高弹簧钢的 强度和疲劳性能。 方面由于发达国家普遍采用了炉外精炼、表面扒皮和表面强化处理等工艺， 显著地降低了囡夹杂物和表面缺陷所引起的疲劳破坏；另一方面，由于实际上决 定许用应力的主要因素是弹减抗力，因此提高弹减抗力一直是高强度弹簧钢研究 开发的重点。 1 4 影响弹减抗力的因素 弹簧材料的弹性减退，有时又称为应力松弛。两者从不同的角度提出，既有区 别又有联系。应力松弛强调在恒应变下，应力随工作时间延长而下降的现象；而 弹性减退强调的是弹性变形能衰退的现象 9 1 。两者与时间有函数关系，是弹性不完 整性的时间效应。 即使在弹性变形范围内，由于承载时间的延长，材料内部的微观组织结构通 过位错运动，使弹性变形逐步转化为微塑性变形，微塑性变形逐步积累成为宏观 的弹性减退。因此从这点来定义的话，弹减抗力就是指材料抵抗微塑性变形或承 载能力下降的能力。如果仅从材料本身来看，提高弹减抗力首先应从选择合适的 化学成分入手，再配合恰当的热加工和热处理，即获得理想的微观金相组织、晶 粒度、第二相质点和硬度等6 1 。 众多研究者的研究结果表明，s i 是合金中提高室温下弹减抗力最有效的元素 共6 l 页第6 页 上海大掌硕士学位论文 之一，其作用仅次于c 。这是由于不仅s i 的固溶强化作用，可以有效地提高弹性 极限和屈服强度，同时因为s i 能在回火过程中抑制e 碳化物转变为渗碳体，改变 析出碳化物的数量、尺寸和形态等，从而提高钢的回火稳定性。因此，早期弹减 抗力优良的弹簧钢( 设计应力1 0 0 0 1 1 0 0 m p a 级) 一般含硅量均较高，如s u p 7 、 s u p l 2 。但是像s u p 7 、s a e 9 2 6 0 这类钢的含硅量已达到最大值，再靠提高硅含量 来提高弹减抗力很困难。要开发弹减抗力更优良的新材料，必须寻找新的途径。 其中一个重要的途径就是利用析出强化和晶粒细化技术，如加入微合金元素v 和 n b 。 提高弹簧钢的硬度是提高弹减抗力最简便的方法，而且在高应力下，硬度的 影响更加明显( 见图l 一6 ) ，但同时必须保证钢的韧性【1 0 。 b 锹 j ! 尽 器 镰 鼹 2 6 52 7 5 2 8 52 9 5 硬度( h b d ) 图1 - 6 提高硬度对弹减抗力的影响 加载应力1 2 0 0 m p a ，加载时间5 0 0 h 1 5 国内外研制的高弹减抗力的弹簧钢 8 0 年代初，日本爱知制铁公司7 以s u p 7 为基础，开发了添加v 和n b 析出 强化的新钢种( s u p 7 一v - n 1 0 ) 。这种钢除了弹减抗力优于s u p 7 外，淬透性和疲劳性 能也和s o p 7 相当，其设计应力比s u p 7 提高了i o o m p a ，可减轻1 5 的悬架弹簧 共6 l 页第7 页 0 8 6 4 2 o 上海大掌硕士学位论文 重量。自1 9 8 2 年起，该钢已在同本的一些车型上使用a 日本神户制铁公司选用s i c r 、s i c r - m o 、s i c r - v 系钢，研究了s i 、c r 、 m o 和v 对弹减抗力的影响，结果发现s i c r - v 系钢的弹减抗力最好。同时考虑到 淬透性、脱碳敏感性等方面的要求，最终开发出一种弹减抗力优于s u p 7 的新型弹 簧钢s r s 6 0 。该钢的设计应力可达到1 1 0 0 m p a ，以在1 9 8 3 年开始批量生产。 9 0 年代初，美国r o c k w e l l 公司 1 2 1 开发出用微合金元素v 处理的改进型 s a e 9 2 5 9 和s a e 9 2 5 4 弹簧钢。这两种钢具有良好的弹减抗力和疲劳性能，设计应 力可达到1 1 0 0 m p a ，可使悬架弹簧减重1 5 ，已在美国普遍使用。与此同时，美 国i n l a n d 钢铁公司开发出用微合金元素v 、n b 处理的悬架弹簧钢9 2 v 4 5 和 9 2 v 5 4 。 要进一步使悬架弹簧钢的弹减抗力满足1 3 0 0m p a 级设计应力的要求，需改 变传统弹簧钢的观念。因为要达到如此高的设计应力，需要大幅度提高材料的硬 度，但是通常的悬架弹簧钢利用碳含量o 5 5 0 6 0 钢的淬火回火组织，当硬度 达到h r c 5 5 时韧性急剧下降。因此为了获得高强度和高韧性，9 0 年代初，日本大 同特殊钢公司f 1 4 】在常用的4 3 4 0 型超高强度钢基础上系统地研究了c 、s i 、n i 、m o 和v 等元素对弹簧钢基本性能的影响，开发出一种新型弹簧钢r k 3 6 0 ( n d 2 5 0 s ) 。 为了保证韧性，碳含量控制在o 4 左右，并添加n i 和m o 。此外加v 细化晶粒， 加s i 和m o 来改善弹减抗力。该钢的弹减抗力、断裂韧性、疲劳和腐蚀疲劳寿命 及延迟断裂性能均优于s u p 7 ，可制作设计应力为1 3 0 0m p a 级的悬架弹簧，并己 在轿车上使用。 9 0 年代中期，韩国浦项钢铁公司 1 5 j 基于s a e 9 2 5 4 ，把硅含量提高到2 5 ， 添加o 2 v 产生析出强化，并添加2 n i 补偿因强度提高所造成的韧性损失。开 发的新钢种( s i c r - n i v ) 具有良好的弹减抗力和疲劳性能，其设计应力也可达到 1 3 0 0 m p a 。表1 3 列出了几种弹减抗力优良的典型高强度弹簧钢。 与工业发达国家不断推出新工艺和新钢种相比，我国弹簧钢的研究开发水平 还相对较落后。“九五”期间，针对国产弹簧钢制成的螺旋悬架弹簧的疲劳寿命难 以满足引进轿车要求的现状，钢铁研究总院和大连钢厂、长城钢厂等联合攻关， 开发了5 0 c r v 4 、6 0 s i 2 m n a 、6 0 s i 2 c r a 等多个品种规格的弹簧钢材，满足了引进 轿车的要求，已经代替了进口弹簧钢材，并获得了德国大众公司的认可。但这些 共6 1 页第8 页 上海大掌硕士学位论文 引进车型的螺旋悬架弹簧的设计应力基本是在1 0 0 0 m p a 级，与国外目前普遍采用 的设计应力为1 2 0 0 m p a 级的先进水平相比，还存在较大的差距。 表1 - 3几种弹减抗力优良的典型高强度弹簧钢 1 6 和弹性减退有关的弹簧的热处理 目前，淬火和回火得到回火屈氏体仍是弹簧钢的典型的热处理工艺【1 6 】。为了 进一步提高弹簧钢和弹簧的弹减抗力，近年来在弹簧钢的热处理方面，各国都做 了不少研究，提出了形变热处理、超细晶粒处理、等温淬火获得下贝氏体和马氏 体复合组织处理等”卜2 ”，下面分别做介绍。 1 6 1 形变热处理 形变热处理( 又称热机械处理) 是将奥氏体化后的钢在奥氏体状态下进行形 变，在来不及再结晶或冷却分解条件下立即淬火的热处理工艺f 16 1 。其实质是把形 变强化和马氏体相变强化有机地结合，细化钢的组织，获得特殊亚结构的马氏体， 进一步提高钢的强韧性【”】。在弹簧钢方面广泛应用的主要有两种：在稳定的奥 氏体状态下进行塑性变形、淬火及回火的高温形变热处理；在亚稳定的奥氏体 状态下进行塑性变形、淬火及回火的低温形变热处理。典型的形变热处理工艺曲 线见图l 一7 。 1 6 2 超细晶粒处理 快速加热( 如电接触加热、感应加热、激光束或电子束加热等) 是获得超细晶粒 的主要途径。通过快速加热到临界点以上奥氏体化，短时间停留后立即淬火冷 却，反复3 4 个循环。经过如此快速循环加热淬火后，一般低合金弹簧钢的奥氏 体晶粒度可细化到1 3 1 4 级。 共6 l 页第9 页 圭塑查兰堡主堂焦堕苎 | 1 广如 l 警 | |越。 加鹅一 髅塞黧叫一回火一 图1 7a 一低温形变热处理：卜高温形变热处理 1 6 3 等温淬火复合组织处理 为了提高弹簧的强韧性及其使用寿命，往往采用一些比较特殊的淬火方法，例 如：等温淬火、分级淬火等。其中应用最广泛的是获得下贝氏体的等温淬火，因 为含碳量在o 5 以上的碳钢和低合金钢最适合进行这种等温淬火”】。 贝氏体等温淬火是将钢加热到a c 3 以上，然后在一定温度f 在m s 点以上 2 0 1 0 0 c ) 的热介质中等温足够长的时间，使过冷奥氏体恒温转变为下贝氏体，然 后取出空冷。获得的组织是下贝氏体和少量的残余奥氏体，甚至极少量的马氏体。 等温淬火的弹簧有较高的微量塑性变形抗力，松弛稳定性好，热应力和组织 应力很小，大大减少了弹簧的变形。这种组织形态不易产生微裂纹，从而使钢的 冲击韧性显著提高。 在获得相同的硬度条件下，和普通淬火相比，贝氏体等温淬火后的钢具有较 高的弹性极限，原因有两点：一是组织的残余内应力小；二是亚结构和析出的弥 散碳化物均匀细小，能十分有效地阻碍位错的运动。 由于贝氏体转变的不彻底性，同时在过冷奥氏体分解过程中，先有贝氏体产 生，再发生马氏体相变。如果用适量先分解的下贝氏体来分割过冷奥氏体，细化 未分解的奥氏体，使随后转变的马氏体只能在被分割的小区域中形成，使马氏体 变得更加细小 2 0 1 。因此使复合组织的晶粒有效细化。在等温介质中保持不同的停 留时间，就可以获得不同数量的下贝氏体和马氏体的复合组织2 “。适当比例的复 合组织的韧性，优于单一的贝氏体组织的韧性，更优于单一马氏体组织回火后的 韧性。 共6 i 页第1 0 页 上海大掌硕士学位论文 1 7 本论文的研究工作 本论文的研究思路，主要从美国常用的悬架弹簧钢s a e 9 2 5 9 入手，研究回火 屈氏体、回火马氏体、下贝氏体等不同组织对弹簧钢的强度、冲击韧性等力学性 能的影响。通过不同的热处理方式，改变组织结构来提高弹簧钢的强韧性。 目前，悬架弹簧大量采用成品弹簧进行台架疲劳试验，并用其结果来考核弹 性减退性能的优劣。这样做不仅周期长，而且成本高。由于实际上决定许用应力 的主要因素就是弹减抗力，即抵抗弹性减退的能力。为了给弹簧设计中针对弹性 减退，提供事先的参考和比较，尝试用一种新试验方法，即用试样来定量地评估 各种不同强度水平的弹簧钢，在相同设计应力下弹减抗力的大小。这可以在前期， 用试样来预测弹簧的抵抗弹性减退的能力，将大大减少弹簧设计、开发过程中的 试验量，缩短开发周期。 因此对应以上的研究思路，试验研究分两部分进行：第一部分研究弹簧钢的 组织，采用不同热处理工艺，得出试验结果并进行分析，细分为第二章和第三章。 第二章用淬火马氏体中温回火，得到常规的回火屈氏体组织，并通过调整淬火温 度和回火温度，得到优化的热处理工艺，已在实际生产中得到应用。第三章针对 等温淬火的工艺，通过低温回火，获得了适当比例的回火马氏体和下贝氏体的复 合组织。并在此基础上比较不同组织对弹簧钢强韧性的影响。 第二部分是沿用前二章得到的最佳的强韧配合的组织，进行弹性减退性能的 比较。第四章对历史上测定弹性减退性能的各种方法，进行了回顾和综合评估。 在此基础上，第五章提出用一种新的试验方法，即采用试样，在恒定总应变幅下 循环加载，测定滞后环面积大小的方法，来量化弹性减退性能的大小。并对不同 组织的弹性减退性能，以新试验方法的结果进行了比较和分析。 最后第六章对上述所有的研究结果，归纳出一些重要结论。 本论文的工作，得到了上海汽车基金会专门设立的( ( s g m 轿车悬架弹簧材质 与热处理工艺项目的资助。 共6 l 页第1 1 页 上海大掌硕士学位论文 第二章回火屈氏体强韧化处理 2 1 悬架弹簧的失效模式分析 观察实际断裂的悬架弹簧的断口，发现是典型的沿弹簧轴线4 5 。方向的( 见 图2 一1 ) 沿晶断裂( 见图2 2 ) 。其设计最高服役应力高于1 0 0 0 m p a ，因此判断属于 表面单个裂纹源，在大应力一次性冲击下，造成的脆性断裂。 图2 1 裂纹源8 0 0 xs e m图2 - 2 沿晶断口1 0 0 0 xs e m 初步分析是过热引起晶界结合力降低。现采用模拟过热试验进行验证，即把 加热保温时间从原来正常工艺的2 0 m i n 增加到4 0 r a i n 以后，对经处理的弹簧作台 架疲劳试验。结果在第一组的5 0 根弹簧中出现了5 ，7 万次、7 1 万次、9 6 万次、 9 8 万次断裂的情况。断1 3 形貌与失效弹簧相似，证实了过热是造成弹簧失效的主 要原因。 对模拟过热的弹簧和进口c k d 弹簧进行组织、性能对比，发现虽然回火组织 同为回火屈氏体和碳化物，但c k d 组织更均匀细小，分别见图2 3 和图2 4 。 共6 1 页第1 2 页 圭堂查堂堡兰垡堡兰 图2 - 3 模拟过热4 0 0 x 图2 - 4c k d4 0 0 x 从模拟过热和c k d 弹簧上切割截面积为7 7 5 5 i r m a 的无缺口冲击试样，进 行冲击试验，冲击韧性值的结果见表2 1 。模拟过热弹簧的冲击韧性值下降了4 0 ， 表明过热后弹簧的抵抗过载冲击，吸收能量的能力大大下降，脆性倾向增加。这 和沿晶脆性断裂的断口形貌是吻合的。同时也说明失效弹簧的热处理过程有问题， 很大程度上影响了弹簧的使用性能。因此在以后的试验中把冲击韧性值也作为一 种参考的韧性指标。 共6 1 页第1 3 页 圭塑查堂 堡兰竺堡墨一 表2 - 1 模拟过热和c k d 成品的冲击试验结果 状态 疲劳寿命 冲击功f j ) 截面积 冲击韧性 ( 万次) 1 23 平均( c n f )( j c m 2 ) 模拟过热 1 01 2 0 1 3 0 51 1 11 2 0 5 00 4 9 2 4 6 c k d 2 52 1 81 9 21 8 4 51 9 8 1 70 4 94 0 4 2 2 原始组织 热处理工艺试验的试样材料由上汽股份中国弹簧厂提供。材料为s a e 9 2 5 9 直 径c i , 1 3 4 5 m m 的棒料。该批材料的化学成分，经入库检验合格( 见表2 2 ) 。 表2 - 2 化学分析结果 ( w t ) cm ns ispc r 实测值 0 5 9o 8 5o 7 7o 0 1 60 0 1 30 4 6 额定值 0 5 6 0 6 4 0 7 5 1 0 00 ，7 0 1 1 0 0 0 4 00 0 3 0 0 4 5 0 6 5 为设计合理的工艺路线，用差热分析法先测试s a e 9 2 5 9 在加热和冷却过程中 的临界点，所测的a c l = 7 6 0 。c ，a r l = 6 8 0 。c 。图2 5 是s a e 9 2 5 9 钢原始态组织。 图2 - 5 原始组织4 0 0 x 用s i m n 系列弹簧钢s a e 9 2 5 9 测得化学成分( 表2 - 3 ) 的样品，以f e c 相图为 基础，m n 、s i 为合金元素，用t h e m a o c a l c 软件计算了四元系的合金相图变温截 n n ( n2 - 6 ) ，其中平衡相有三类：( ! ) f c ca i 为奥氏体： b c ca 2 为铁素体； 菸6 l 页第1 4 页 上海大掌 硕士学位论文 c e m e n t i t e 为m n 的碳化物。由图2 - 6 可得到碳含量为o 6 的物相点的两相 区上限温度a c 3 ( 以绝对温标k 表示，换算成摄氏度，表2 - 3 ) ，大约在7 6 0 。c 以 下，与试验室金相检验结果一致。根据热分析，金相和计算方法测得的结果，说 明该材料成分接近共析成分。 表2 3 计算s a e 9 2 5 9 四元相图所用数据 拌1群2 c ( ) o 5 6 0 6 40 6 0 70 6 0 3 m n ( ) 0 7 5 1 0 00 8 4 20 8 2 9 s i ( ) 0 7 1 10 8 3 20 8 0 9 f e ( )其余 9 7 7 1 99 7 7 5 9 a c 3 低) 1 0 3 01 0 2 5 a c 3 ( c ) 7 5 77 5 2 t h r h o c 闩l cc a 日1 己2 日：日9 日1 ) 图2 - 6f e c s i m n 四元系相图截面图 2 3 热处理工艺设计 为优化热处理工艺，做了以下的热处理工艺设计。首先以8 7 0 为淬火温度， 通过改变回火温度，寻找出避开第一类回火脆性区和第二类回火脆性区、合适的 回火温度区间为3 8 0 - - 4 2 0 。c ( 见图2 7 ) 。 共6 l 页第1 5 页 上海大学 硕士学位论文 p 之 。 趟 雇 啦 k - ； 1 ： j 1 l ；， 1l1 l ll： ； ： ! ； j j ii i - ijl illl i1 i i l | j f lj1 ij 04 08 01 2 01 6 02 0 02 4 02 8 03 2 03 6 04 0 04 4 04 8 05 ；2 0 5 6 0 回火温度( ) 图2 7 不同回火温度冲击韧性的变化 为模拟整个的生产工艺规范和生产节拍，试样加热温度取9 4 0 。c ，9 2 0 。c 两种， 然后预冷到一定温度再油淬。预冷的目的主要是模拟实际生产卷簧过程中会引起 温度降低。9 4 0 。c j 3 1 3 热工艺选择预冷后入油温度为8 4 0 。c ，7 8 0 。c 两种，而在9 2 0 。c 加热选择8 2 0 c ，7 9 0 。c 两种。回火温度则选3 8 0 。c ，4 2 0 。c 两种。热处理工艺路线 见图2 8 ，具体的热处理工艺见表2 - 4 。 t ( ) 图2 - 8 热处理工艺路线 共6 l 页第1 6 页 t ( h ) 搿描蒌孺孺孺焉需瑟瑶 塑查兰 _ 堡兰塑竺苎一 表2 4 热处理工艺 淬火加热温度x 时间 预冷时间入油温度 回火温度时间 1 5 s 8 4 0 3 8 0 4 2 0 9 4 0 1 5m i n 2 5 s 7 8 0 l h 1 6 s 8 2 0 3 8 0 4 2 0 9 2 0 1 5m i n 2 1s 7 9 0 1 h 2 4 实验室热处理工艺试验与结果 2 4 1 拉伸试验结果 热处理的试样按照图2 - 9 的尺寸，采用贴应变片的方法，使用y 1 2 8 a p 1 0 r 型 静态电阻应变仪和y e 一3 0 0 型液压式万能试验机进行拉伸试验，结果见表2 5 。 r m m d d o1 0 llh h 】 r 1 3 8 4 05 08 6 1 03 2 图2 - 9 拉伸试样尺寸 表2 5 拉伸试验结果 加热温度 入油温度 回火温度 0 0 2 ( m p a )a b ( m p a )盯o 2 o bv ( ) 9 4 0 8 4 0 3 8 0 1 6 1 31 8 9 0o 8 56 3 9 4 0 7 8 0 3 8 0 1 6 4 31 8 5 50 ，8 99 5 9 4 0 8 4 0 4 2 0 1 4 6 01 6 3 80 8 97 5 9 4 0 7 8 0 4 2 0 1 4 7 71 6 2 00 ，9 l1 3 7 9 2 0 8 2 0 3 8 0 1 6 6 21 8 8 3o 8 97 5 9 2 0 8 2 0 4 2 0 1 4 8 01 6 8 60 8 81 23 共6 1 页第1 7 页 苎塑查兰 堡! 。型型婆一 从表2 5 的试验结果看，同一加热温度和入油温度，随回火温度的上升，强 度下降，塑性上升。 2 4 2 冲击试验结果 经热处理的试样加工至图2 - 1 0 所示的无缺口冲击试样尺寸，进行冲击试验， 记录冲击功，除以截面积后，得到相对的冲击韧性值( 见图2 - 1 1 ) 。 l s s ， f 图2 1 0 冲击试样尺寸 目 图2 1 1冲击韧性值比较 从图2 。1 1 中可以看出，随回火温度升高，冲击韧性值降低。在9 2 0 。c 力h 热 8 2 0 。c 入油，3 8 0 | 。c 回火的冲击韧性值最高。 2 4 3 工艺试验结果分析 从以上的试验结果看，3 8 0 。c 回火时抗拉强度和屈服强度都高，相应的弹性极 限也较高。这是因为回火温度的高低会影响淬火马氏体向回火屈氏体转变的程度， 即回火温度越低，从马氏体中析出的碳化物的数量少，碳化物的颗粒小且弥散。 作为第二相粒子，弥散析出的碳化物颗粒对位错的钉扎作用也强，因此流变应力 更高，加工强化也更强烈。从强度，屈强l t * a 冲击韧性值综合比较考虑，加热温 度以9 2 0 为佳。回火温度应在保证强度的同时，避开两类回火脆性区，在3 8 06 c 共6 i 页第l s 页 i 圭塑查兰 堡兰塑堡生 4 2 0 。c 区间内寻求最佳的冲击韧性，来保证较高的韧性。 2 5 现场实物试验与结果 2 5 1 第一次现场实物试验方案 在失效分析和实验室模拟试验的基础上，进行了生产现场的小批量实物试验。 对原有的生产工艺进行了调整，确定了1 1 种试验用的热处理工艺。其中加热采用 8 7 0 。c ，9 0 0 。c ，9 1 0 。c ，9 2 0 。c 四个温度，热卷簧后直接入油淬火。回火温度则用 3 8 0 。c ，3 9 0 。c ，4 0 0 三羊中。具体工艺见表2 - 6 ，分别编号为1 l l 号工艺。 表2 - 6 实物试验方案 编号 加热温度( ) 回火温度( ) 1 8 7 0 5 3 8 0 4 - 5 2 8 7 0 5 4 0 0 4 - 5 3 9 0 0 5 3 8 0 5 d 9 0 0 5 3 9 0 5 5 9 0 0 5 。c4 0 0 5 。c 6 9 1 0 5 3 8 0 5 7 9 1 0 5 3 9 0 5 8 9 1 0 5 4 0 0 5 9 9 2 0 4 - 5 3 8 0 5 1 0 9 2 0 5 3 9 0 5 1 1 9 2 0 4 - 5 4 0 0 5 2 5 2 第一次试验的强韧性配合 每种工艺任选8 件弹簧( 4 件一组) 进行疲劳试验，除1 号工艺( 8 7 0 。c 3 8 0 。c ) 有 1 件寿命2 2 万次、9 号工艺( 9 2 0 c 1 3 8 0 。0 ) 有1 件寿命5 万次外，其他的疲劳寿命 均超过规定的2 5 万次。从强韧性的配合( 见图2 1 2 ) ，结合疲劳试验的结果( 见图 2 1 3 ) 来看，9 1 0 。c 、9 2 0