等温处理对中碳超高强度弹簧钢组织与力学性能的影响_图文

1、第43卷第4期2008年4月钢铁Iron and SteelVol.43,No.4April 2008等温处理对中碳超高强度弹簧钢组织与力学性能的影响聂义宏1,2,惠卫军2,傅万堂1,翁宇庆2,3,董瀚2(1.亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室燕山大学,河北秦皇岛066004;2.先进钢铁材料技术国家工程研究中心,北京100081;3.中国金属学会,北京100711摘要:研究了等温处理对中碳超高强度弹簧钢组织与力学性能的影响。结果表明,在325375等温可以获得无碳化物贝氏体/马氏体复相组织;奥氏体化温度对贝氏体/马氏体复相组织的影响很大,从875升高到930,强度升高,但其塑性、冲击韧性和

2、断裂韧性显著降低。试验范围内,在875保温30min ,325等温120s 油淬后,在300进行回火处理2h ,可获得强韧性配合良好的贝氏体/马氏体复相组织,其断裂韧性K IC 值为83MPa m 1/2,是相同强度水平下常规淬火回火马氏体组织的1.5倍。关键词:等温淬火;中碳超高强度弹簧钢;残余奥氏体;断裂韧性中图分类号:T G142.1文献标识码:A 文章编号:04492749X (20080420075205E ffect of Isotherm al H eat T reatment on Microstructureand Mechanical Properties of a Med

3、ium 2C arbonU ltra High Strength Spring SteelN IE Yi 2hong 1,2,HU I Wei 2jun 2,FU Wan 2tang 1,WEN G Yu 2qing 2,3,DON G Han 2(1.State Key Labour of Metastable Material Science and Technology ,Yanshan University ,Qinhuangdao 066004,Hebei ,China ;2.National Engineering Research Center of Advanced Steel

4、 Technology ,Beijing 100081,China ;3.The Chinese Society for Metals ,Beijing 100711,China Abstract :The effect of isothermal heat treatment on microstructure and mechanical properties of a medium 2carbon ultra high strength spring steel (U was studied.The results show that a carbide 2f ree bainite/m

5、artensite duplex mi 2crostructure could be obtained by austempering at 3252375.The austenitizing temperature before austempering has obvious influence on both the microstructure and mechanical properties of bainite/martensite duplex microstruc 2ture of steel U.With increasing austenitizing temperatu

6、re f rom 875to 930,the strength of steel U increases ,while its toughness decreases markedly.Bainite/martensite duplex microstructure with good combination strength and toughness was obtained by austempering at 325for 120s after austenitizing for 30min at 875followed by tempering at 300for 2h.The fr

7、acture toughness of specimens was 83MPa m 1/2,1.5times higher than that of single tempered martensite with same strength level.K ey w ords :austempering ;medium 2carbon ultra high strength spring steel ;retained austenite ;fracture toughness基金项目:国家重点基础研究发展规划(973资助项目(2004CB619104作者简介:聂义宏(19772,女,博士;E

8、 2m ail :nieyihong ;修订日期:2007209206随着铁路、汽车等行业的迅速发展,超高强度弹簧钢越来越受到重视。高强度弹簧钢的组织通常为中温回火马氏体。一般随着钢的强度的升高,其韧性下降,缺口敏感性增加,这些制约了回火马氏体钢的进一步发展。近年来,开发具有良好强韧性配合的新型贝氏体钢的研究越来越受到重视,并呈现出良好的发展前景15。Co ballero 和Bhadeshia 设计出在较低温度(150下形成贝氏体的一种新钢种1,2,由于该钢的形成温度低,贝氏体片厚度仅为2040nm ,片间为残余奥氏体膜,因此不仅其强度超过2500M Pa ,硬度超过HV600,且断裂韧性大于

9、3040M Pa m 1/2,号称“很强的贝氏体”。方鸿生等人3,4开发出了一种1500M Pa 级添加1.8%Si (质量分数的Mn 2B 系无碳化物贝氏体/马氏体的复相组织钢,其贝氏体亚单元间存在宽约7nm 的残余奥氏体薄膜,这些残余奥氏体薄膜具有较高的热稳定性和力学稳定性,可在较高的温度下回火,从而获得了良好的韧性。康沫狂等人5研究了含硅合金钢淬火组织中残余奥氏体的力学稳定性与力学性能,指出高硅合金钢发生贝氏体转变时可获得初级阶段组织,称为准贝氏体;准贝氏体中残余奥氏体内的碳含钢铁第43卷量决定其力学稳定性。通过合理的热处理方法,可获得适量的并有一定程度力学稳定性的残余奥氏体,使钢具有良

10、好的强韧性配合。基于上述考虑,本文对一种超高强度中碳弹簧钢,采用等温处理工艺获得了贝氏体/马氏体复相组织,研究了其组织和力学性能特点。其主要目的是引入少量下贝氏体,分割奥氏体晶粒,细化组织单元,以期进一步改善钢的塑韧性。1实验材料及方法实验材料为实验室150kg 真空感应炉冶炼的U 钢,主要化学成分(质量分数,%为:C 0.44、Si 2102、Mn 0.73、Cr 0.92、P 0.008、S 0.006。钢中的Mn 、Cr 元素能够提高奥氏体的稳定性,Si 元素能够推迟贝氏体中碳化物的析出,在贝氏体转变初期可获得无碳化物贝氏体。采用热膨胀仪测定U 钢的相变点M s 温度为290,贝氏体相变

11、终止温度为310。实验料经退火处理(加热到850,保温1h ,炉冷后,加工成标准拉伸试样(l 0=5d 0,d 0=5mm 、Charpy 冲击试样(10mm ×10mm ×55mm ,V 型缺口和断裂韧性试样(10mm ×20mm ×100mm 的毛坯,再经过不同的热处理后精加工到最终尺寸。在加热盐浴(BaCl 2槽和等温盐浴(50%NaNO 2+50%KNO 3槽对试样进行热处理。研磨抛光后的金相试样用2%硝酸酒精溶液侵蚀,在Leica 光学显微镜和扫描电镜下观察微观组织形貌。薄膜试样采用机械减薄及双喷电解减薄方法制备。电解抛光液为10%的高氯酸酒精

12、溶液,电解电压40V ,电流40mA ,用液氮和酒精控制温度。在H 2800型透射电子显微镜(TEM 下观察不同回火条件下的微观组织特征。采用A PD 210型X 射线衍射仪测定试样中残余奥氏体(A R 含量;在A G 2100KN E 型材料实验机上进行拉伸实验,测定实验用料的强度和塑性;在JB 230型摆锤式冲击实验机上测定V 型冲击吸收功值;在M TS 810型万能材料实验机上按照G B/T 416321984进行断裂韧性实验,测定实验料的K IC 值。在日立H 24300型场发射扫描电子显微镜(SEM 下观察断裂韧性试样断口的形貌,确定断裂机制。2实验结果及分析2.1奥氏体化温度的影响

13、图1为实验料经不同奥氏体化温度保温30min 后,在350等温120s 后油冷的金相组织。可见,实验料在350等温120s ,可以得到贝氏体/马氏体复相组织,并从图中可以看出,随着奥氏体化温度的升高,贝氏体的尺寸增大。这是由于在相同的奥氏体化时间内,奥氏体化温度越高,初期形成的奥氏体晶粒尺寸愈粗大。反之,降低奥氏体化温度,初期形成的奥氏体晶粒愈细小,则残余奥氏体含量愈多。这可能是由于细小的初期奥氏体晶粒使得贝氏体相变延迟所造成6。图2为实验料经不同奥氏体化温度保温30min 后,分别在300、325、350和375等温120s 油淬后的力学性能和残余奥氏体含量的变化情况。可见,随着奥氏体化温度

14、的升高,在相同的等温温度下,实验料的强度明显升高,塑性降低。875奥氏体化后经过325等温120s 试样的残余奥氏体体积分数高达12%,比900奥氏体化经相同等温处理试样的高8%(图2(c 。这表明,奥氏体化温度对贝氏体/马氏体复相组织的性能有明显影响。此外,当等温温度降低到300时,可获得很高的强度,但塑性很差,如图2(b 。这是由于等温温度300低于贝氏体相变终止温度(310,在这个温度等温不能够生成贝氏体,主要形成的是淬火马氏体。 (a 875;(b 900;(c 930图1实验料在不同奥氏体化温度下保温30min 后,经350等温120s 后的金相照片Fig.1Microstru ct

15、u re of specim ens austenitized at different temperatu re for 30min ,and th en austempered for 120s at 35067第4期聂义宏等:等温处理对中碳超高强度弹簧钢组织与力学性能的影响 图2实验料在不同奥氏体化温度保温30min 后,经不同温度等温120s 油淬后的力学性能(a、(b及残余奥氏体量(c的变化Fig.2Mechanical properties and retained austenite content changed with austenitizing temperature a

16、nd austempering temperature (austenitizingtime :30min and austempering time :120s oil quenched图3为实验料在875和900保温30min ,随后分别经300、325、350和375等温120s 后,于300回火2h 后的力学性能和残余奥氏体含量的变化情况。可见,在相同的等温条件下,除300等温外,实验料的奥氏体化温度从875提高到900,强度得到一定提高,塑性略有降低,而冲击功和断裂韧性则明显降低。经875奥氏体化的试样所具有的这种高韧性与其残余奥氏体含量较高有关(图3(d 。值得指出的是,当等温温度

17、高于325时,经875奥氏体化的试样,其冲击功大于22J 、K IC 高于70MPa m 1/2,高于实验料在相同强度水平下马氏体组织的韧性(常规热处理,淬火:925×30min ;回火:350×90min ,其V 型冲击功为18J ,K IC 为57M Pa m 1/2。2.2贝氏体/马氏体复相组织特征图4为实验料经875保温30min ,在325等温120s 油淬后,300回火2h 后的贝氏体/马氏体复相组织的TEM 形貌。可见,复相组织中贝氏体为无碳化物贝氏体,铁素体内存在很多细条形的富碳残余奥氏体,这些富碳残余奥氏体将贝氏体条分割成小的亚单元。贝氏体的片条宽为0.5

18、215m ,残余奥氏体膜的宽度为2060nm 。这主要是由于实验料中Si 元素含量较高,同时含有一定量的Mn 和Cr 元素,因此得到了无碳化物贝氏体。2.3微观组织对实验钢断裂韧性的影响图5为贝氏体/马氏体复相组织和单一回火马氏体组织断裂韧性实验中载荷和位移的关系曲线。图中M 表示常规淬火回火得到的马氏体组织,B/M 表示875保温30min ,在325等温120s 油淬后,再在300回火2h 得到的贝氏体/马氏体复相组织。可见,随着裂纹开裂位移的增加,载荷先升高,直至裂纹发生失稳断裂时,载荷迅速降低。值得注意的是,在B/M 组织的曲线中,裂纹发生失稳断裂时,载荷下降较缓慢,而M 组织的曲线中

19、载荷存在突然降低的趋势。这表明,这两种组织的裂纹扩展行为不同,贝氏体/马氏体复相组织具有较高的抵抗裂纹扩展的能力。图6为B/M 组织和M 组织的K IC 试样断口形貌。可见,两种组织试样的断口形貌差别较大。M 组织试样断口上出现晶间断裂,而B/M 组织的断口形貌以准解理和小韧窝为主。从断口特征看,B/M 组织比M 组织具有更好的韧性,并且由于其断裂单元的“有效晶粒尺寸”较小,因而裂纹的扩展路径存在较多的转折与分枝,使得B/M 组织的断口表面比M 组织的更为粗糙。贝氏体/马氏体复相组织的断裂韧性明显高于马氏体组织的原因主要有两方面:一方面,由于先析出的下贝氏体板条对奥氏体的分割作用,从而使得77

20、钢铁第43 卷马氏体板条获得细化(图7。Ohmori等7研究回火温度对低碳钢贝氏体/马氏体复相组织影响时,认为对于马氏体钢来说,裂纹通过马氏体团束的边界时,其方向才会发生偏移,裂纹扩展功减小;而当马氏体基体中存在贝氏体板条时,裂纹容易在贝氏体与马氏体的相界面上发生偏移。因此,在相同的条87第4期聂义宏等:等温处理对中碳超高强度弹簧钢组织与力学性能的影响 件下,贝氏体/马氏体复相组织对裂纹的扩展有阻碍作用。另一方面,由于实验料中含2.0%Si (质量分数,Si 对碳化物析出的阻碍作用,可使未转变的残余奥氏体富碳,并且降低了M s 和M d 点,从而使残余奥氏体具有一定力学稳定性。在断裂过程中裂纹

21、尖端应力集中可由其塑性变形和马氏体相变体积效应共同消减,因此提高了钢的断裂韧性8。3结论(1实验料在325375进行等温处理,可获得无碳化物贝氏体/马氏体的复相组织。奥氏体化温度对复相组织的影响很大,从875升高到930,强度升高,但其塑性、冲击韧性和断裂韧性显著降低。(2本试验范围内,在875保温30min ,325等温120s 油淬后,在300进行回火处理2h ,可获得强韧性配合良好的贝氏体/马氏体复相组织。其力学性能为R m =1975M Pa ;R p0.2=1770M Pa ;A =1010%;Z =51.5%;A KV =23J 。其断裂韧性K IC 值是83M Pa m1/2,是

22、相同强度水平下的常规淬火回火马氏体组织的1.5倍。参考文献:1Caballero F G ,Bhadeshia H K D H ,Mawella J A ,et al.VeryStrong Low Temperature BainiteJ .Sci.Technol.,2002,18:279.2Garcia 2mateo C ,Caballero F G ,Bhadeshia H K D H.Develop 2ment of Hard Bainite J .ISI J International ,2003,43(8:1238.3Fang H S ,Bai B Z ,Yang Z G ,et al.Recent Development ofAir 2Cooled Bainitic Steels Containing Manganese J .J.Iron and Steel Research ,2005,12(2:1.4方鸿生,刘东雨,常开地,等.1500MPa 级经济型贝氏体/马氏体复相钢的组织与性能J .钢铁研究学报,2001,13(3:31.(FAN G Hong 2sheng ,L IU Dong 2yu ,CHAN G Kai 2di ,et al.Microstructure and Properties of 1500MPa