淬火温度对42CrMo高强度钢应力腐蚀断裂抗力的影响.pdf

第 l 卷第 4期 1 9 妇 年 l 2月 材料科学与工艺 M ATERI AL S C NCE TB CHNoLoGY Vb1 1 4 De o e b e r 1 9 93 淬火温度对 4 2 C r Mo高强度钢应力腐蚀 7 断裂抗 力 的影 响 李光搞昊忍蕾 井雷廷 权褚武扬肖纪美 一 一 暗尔馥工业大学 E 豪科技大学 弋 i 摘要甩俄t蕾谱和电子星徽靠研究了淬火菹度对4 2 C r Mo 高强度钢在3 5 N a C l 东格藏中的应力嵩蚀新 鬻 m l l 默 所 毪 毒 jc 关 键 词 壅 盔 塞 断 鬟 目 垃 兄 寸 苎 璺 塞 塑 吾 彦 锋 人 中 国 图 书 资 科 分 类 号 l G ll1 91 0 引言 以回火马 氏体为 主要 组织 的 中碳 高 强 钢对应 力腐蚀 断裂和氢 脆高 度敏感 常导致 工程事 故 一 在多种钢上已证实 1 1 0 0 1 2 0 的超高温淬火可使钢的应力强度 门槛值 K 或 j 得到明显提高 而屈服强度投有明显下 降 这具有重要的工程意义 关于 这 现象的 机制 目前主要有两种不同的观点 一种认为 矗 的升高是原奥氏体晶粒尺寸增大带来的有 益结果 另一种观点则认为是晶界上磷等杂质元素偏聚量的减 少导致 K 1 的增高 本 文在 4 2 C r Mo钢上 除选用常规淬火 高温淬火两种工艺外 还增选一种预计可促 进晶界上杂 质偏聚的分级淬火工艺以辅助研究 通过分析杂质偏聚 晶粒尺寸 组织形态和应 力腐蚀断裂 特 性的变化 判 断究竟 什么 因素在 的升高 中起 主要 作用 1 试验材料与方法 试验用钢 4 2 C r Mo的化学成分 叭 为 c 0 4 3 s i O 3 1 Mn 0 6 7 P 0 0 1 4 S 0 0 0 7 C r 1 o 9 Mo 0 2 0 试样 的热处理 工艺如下 常规淬火 8 6 0 3 0 皿n油淬 2 0 0 回火 l h空冷 高温淬火 l 1 2 0 2 0 ra i n油淬 2 0 0 回火 l h空冷 分级淬火 l 1 2 0 2 0 m i n 8 6 0 O mi n后油淬 2 0 0 回火 l h空冷 测 得三 种工艺热处理 后 的钢的 屈服 强度在 1 5 l l 1 6 4 1 MP a范 围 差 别 不 大 应 力 腐 蚀 断裂试验采用厚度 B S mm的双悬臂梁 D C B试样 经螺栓加 载后放在室温 的 3 5 N a C 1 水 奉 文于 1 年 4月 2 1日收 剜 联幕 人 李光 播 酎 教授 喑 尔 滨工 业大 学 9 2 0教 研 室 1 5 0 0 1 维普资讯 第 1 8 页 材料科学 与工艺 第 1 奄 溶液中 用工具显傲镜观测裂纹 当应力腐蚀裂纹停止扩展后 根据加载位移 和裂纹最终长度 计算 K 用扫描电镜观察断口并统计测定原奥 氏体晶粒平均尺寸 用 透射 电镜观察显 傲组 织 用 P HI 5 9 5型扫 描俄 歇傲探 针检 测晶界 上 的 杂质 偏 聚 俄 歇 试样经 预充 氢后 在 超 高 真 空 高于 2 9 1 0 一 0 室 里压 断 以获取 清洁沿 晶断 口 具 体方法 见文 献 根据 俄 歇 谱 线 上元素的峰 一峰高和灵敏度 因子半定量计算元素的原子百分 比 2试验结果与讨论 该钢在喜种热处理状态下的应力腐蚀断裂均为沿原奥氏体晶界 的断裂 图 1 示出高温 淬 火工艺试样 的应力腐蚀 断 口 各 种状态 的应力腐蚀裂 抗力 K 值 和 原奥 氏体 晶 粒平 均 尺 寸 见表 1 分级 淬 火试样 的 K 和 晶粒尺寸均 最 大 高温 淬 火 试样 次 之 常规 淬 火 试样 的最 小 透 射 电镜观察表 明 三 种试样 的显傲 组 织均主 要 由板条 马氏体和 少量分 布于板 条 间的残 余奥 氏体 薄膜所组 成 在某些 傲 区还可观 察到 少量 孪晶 与 常规淬 火相 比 高温 淬火 和分 级淬火 处理后 的组织 变化 主要是原奥 氏体晶 粒和马 氏体 束 明显粗大化 所 有俄歇试 样均沿原 奥 氏体 晶界 断裂 从三 种 试样上得到的晶界俄歇谱线具有相似的特征 图 2 示 出从 分级淬 火试样 晶界 上得 到的 一条 典型的俄 歇 图1 1 1 2 0 淬 2 0 0 回 A试样的应力庸蚀断口 电子谱 线 可看 到晶界 上有磷 的偏 聚 对每种试样 F ig 1 S t r e s s c o r r o s i o 1 f r a c t o ca p h 1 1 2 0 q u h d t 任选 5 个以上晶粒界面的磷浓度进行半定量计算得 2 0 0 t e 呷删 到 的平 均值示于 表 1 结 果表 明 分级淬火试样晶界 上的磷浓度最高 而常规淬火和高温淬 火两 E 圉 2 分 鲠 淬 2 0 0 回 试 样 晶界 的俄 教谱 鳗 F 2 Au g e r de c t r o n s pe c t r um f rom g r a i n b o u nd a r r s t e p q u e a c h e d 2 0 0 t r lp 日 表 1 平 均晶粒 尺寸d J 和 晶界 上磷 的 平 均浓 度 Ta b l e 1 Av e r a g e g r a i n s i z e d a n d a v e r a g e c o n c e n l r a fio n o fP o N g r a i n b o u n d a r i e s 种试样的较低 并且差别不太明显 可以认为这些结果符台杂质元素的偏聚规律 因为低温回 火马 氏体 组织 中原 奥 氏体晶界 上的杂质偏聚过 程主要发生在奥氏体化阶段 奥氏体化温度 和晶 粒尺 寸是影 响偏聚程度 的两个重要 因素 根据 Mc l e a n的平衡偏 聚理 论 温 度 越 高 则 杂 质偏 聚的驱动 力越 小 另一 方 面 温 度越高 则奥 氏体晶粒越 粗大 单位 体积里 的 晶界 面 积越 小 晶 维普资讯 第4 斯 淬 火温度 对 4 2 Cr Mo高强度钢 应力腐蚀 断裂抗力 的影 响 第1 9 页 界上容 易偏 聚较高浓度 的杂 质 常规淬 火试 样 奥 氏体 化 温 度低 但 晶粒 尺寸 小 而 高 温 淬 火 试样 晶粒粗 大但 奥 氏体 化温 度高 因而两 种试 样晶界上 的杂质偏 聚程 度投 有 明 显 差别 分级 淬火 试样 的最终 奥氏体 化温度 最低 而 晶粒 又最 粗大 所 以晶界 上 的磷偏聚 浓度最高 根 据表 1 所 示 的试 验结 果 可以判定 磷偏 聚的变化并 不是超 高温淬 火提 高 K c c的主要 原 因 在低 温 回火马 氏 体组 织 中 晶界 上的 磷 尽 管偏 聚 但 绝 对浓 度 较 低 原子 百 分 比不超 过 1 如果 这些 少量 的磷对 锕的应力 腐蚀 断裂抗 力有显 著 的降低 作用 那 么磷 偏 聚浓度 最高的 分级淬 火试样应 该具 有 最低 的应力强度 门槛 值 K 但试 验结果 正好相反 试验结 果表 现 出钢 的 原 奥 氏体 晶粒 尺 寸 d越 大 则 蜀s c c 越 高 的规律 超 高温 淬 火 使 一增 高 的 现象 应 归 因于 晶粒 尺寸 的增大 根据 断 裂 力 学 中平 面 应 变 状态 下 裂纹尖端塑 性 区尺 寸的公式 可 算出 本 试验 中 墨 虻 c 时塑性 区尺 寸 R的范 围为 8 1 6 m 应 力 腐蚀 环 境 中氢 的存在将使 裂纹尖 端 塑性 区有所扩 大 0 0 而 晶粒尺寸的 范围为 l 1 7 5 m 可 以认 为 晶粒 尺 寸 与 裂尖 塑性 区尺 寸在 同一 数量 级 因此 可 以从裂 纹尖 端 应 力场 与 晶界 在 空 间的相互 关 系来 说 明晶粒 尺 寸 对 沿 晶型 应 力 腐蚀 断裂 抗力的影 响机 制 如 图 3 所 示 沿 晶断裂说 明 在应 力 腐蚀 等含氢环 境 中 晶界是 一个 断裂 抗力很 低的薄 弱环 节 而 应力腐蚀裂 纹尖端 区域 既 是 高应 力 区 又是 氢 富 聚 区 晶 界一旦处 在这个 区域就会 被氢严重 脆化 并在 高 应力 作用 下发生沿 晶断裂 晶粒尺 寸越 大 单 位体积 里的 晶界 面积 就越少 在 一定 应力强 度 因子下 呈现 在裂 尖 前 沿 富 聚氢 的高 应 力 区里 的晶界 就 越 少 裂 纹 的 萌生 和 扩展 就 越 困 难 在力学性 能上表现 为 的升高 裂 囤 3 晶 粒 尺寸在 措 晶型 瘟 力腐蚀 断裂 中 的作 用 示意 图 F 3 S c he m s ho wi n g r ol e of i n s i z e n i n t t a g r a n u l a r r 髑c or r os i o n c r a c k i n g 3 结论 高温淬 火和分级淬 火可使 4 2 C r Mo高强钢 的应力腐蚀 断裂抗力 K 得到 明 显提 高 其 主 要原因是原 奥 氏体 晶粒尺寸 的增 大 考文越 李垒 桂 敲 空产 品腐 蚀故 障事埘 集 北京 航空 工 业部 武二 一研 究 所 1 9 8 5 1 8 韩 鸨 硬 宇 航材料 工 艺 1 9 8 3 6 4 6 Lt ma r J F G c h W W M e t a t t u r g i c Tmma c t j o m 1 9 7 6 7 A 9 5 3 Pa dwa n a aa n R Woo d W E M aa t t u r g i c a TmT 1 9 8 3 1 4 A 2 3 4 7 Lin T L La n W u J S M e t a l l t t r g i c at Tr a t l s e rJo m 1 9 8 8 1 9 A 2 2 2 5 李光梧 吴忍并 雷廷投 理化植验 蛔理分册 1 9 8 9 2 5 6 1 踪 世补 王束 瑞 盘 属电 子 显微分 折 北 京 机 械工 业 出版 社 1 9 8 2 2 2 2 维普资讯 第2 0页 材料科学 与 工艺 第 1 卷 8 Mc l e a n D 辐 顺华 译 盘 属 中 的晶粒 目畀 北京 科学 出版 社 1 9 6 5 1 0 1 9捌 云翘 盘一 热处理 原理 北 京 机 械工 业 出版社1 9 2 5 5 1 0 z a u g X L u R Hs i a o S S c fi p t a Me t a 1 u r g i c a 1 9 1 6 1 3 8 3 l 1 金 属机 械性 能编 写组 盘属 机械 性 能 北 京 机械 工 业 出版祉 1 9 8 土 B 4 E ff e c t o f Qu e n c h i n g T e mp e r a t u r e o n S t r e s s C o r r o s i o n Cr a c k i n g Re s i s t a n c e o f Hi g h S tre n g t h S t e e l 4 2 Cr M o L i G u a n o f u Wu R e n g e n L e i T i n g q u a n H l y b i i 1I r t u t e o fT e c h n o l o g y Ch u W u y a n g Xi a o J i me i r a r i t y o f s c i e n c a n d T ech n o lo gy Be i j i Al t r a e t Th e e ff e c t of q u e n c h i ng t e mp e r a t u r e o n t h e s t r e s s c or r o s i o n c ro c k ing r e s i s t an c e o f h i g h s t r e n g t h s t e e l 4 2 Cr M o in 3 5 Na a a qu e o u s s ol u t i o n h a s b e e n s t u di e d b y i T l e a n s o f Au g e r dect r o n s p ect r u m t e c h n i qu e a n d dect r o n mi c r o s c opy Re s u l t s s h ow t h a t b o 也h i g h t e mp e r a t u r e q u e n c h ing a n d s tep q u e n c h i n g c a n a pp a r e n tl y inc r e a s e t h e s t r e s s co r r o s i o n c ro c k i ng r e s istan c e I s cc 1 a n a l y s es o n g roin s i z e i mpu r i t