两种高强度弹簧钢的微观组织和疲劳性能之间的关系

1、两种高强度弹簧钢的微观组织和疲劳性能之间的关系Jang-Chul Shin a, Sunghak Lee b, Jae Hwa Ryu c摘要：这是对两种高强度钢微观组织和疲劳性能的研究,即含钒和铬合金钢和0.84%的碳钢,用于汽车的膜片弹簧。在固定硬度条件下微观结构和拉伸强度是疲劳性能的研究焦点。疲劳试验结果表明，这两种钢的拉伸强度接近相同时(超过1400MPa)它们的疲劳极限是相等的,在高温热处理之后它们的疲劳极限在奥氏体合金钢中呈线性下降。这个结果是基于材料的微观结构参数,如前奥氏体晶粒尺寸、孪生碳化物和马氏体钢板的宽度。合金钢具有较高的拉伸强度，含有少量的碳化物比0.84碳钢的疲劳性能

2、更好。这些结果表明, 弹簧钢的疲劳性能可以被预先估计来自拉伸强度、疲劳极限，而不是硬度。1999农业科技有限公司版权所有。关键词：高强度弹簧钢；疲劳极限；显微组织；硬度；马氏体1、介绍弹簧是一种具有较高弹性应变的弹性材料，用于吸收突然施加的压力，存储弹性能量吸收的压力，或减轻施加影响；汽车离合器膜片是一种平板式弹簧狭缝,和功能连接的动力引擎,轮子或削减它，如图1。汽车的膜片弹簧暴露于重复疲劳周期(超过106个周期)高度的压力下(40%50%的抗拉强度,因此需要钢具有优良的疲劳性能。大多数隔膜制造商用易于使用的硬度价值评价疲劳性能1-3。这是基于冷却、钢化合金钢洛氏硬度值(HRc)4550, 当

3、硬度是相同的时候。尽管它们的化学成分不同, 但是随着疲劳极限的增大,它们的硬度也增加1,2。然而，尽管这两种钢硬度相同，但它们经过高温回火后，微观结构差异很大。此外，同一种钢的疲劳极限，可能受到拉伸性能参数的影响，如前奥氏体晶粒、马氏体、沉淀的大小和形状以及微观力学性能。在评估弹簧钢的疲劳性能时，除了硬度还要考虑微观结构和机械对热处理条件。本研究旨在呈现目前用于汽车膜片弹簧50CrV4和SK5-CSP的钢本质上所需的基本数据，建立相对评估的弹簧钢疲劳性能的操作条件。在室温下固定硬度高循环疲劳试验进行了HRC4445的条件，这是标准的弹簧钢的目标和结果进行了分析与微观结构，硬度和拉伸性能的重点。

4、图1一个汽车离合器和膜片示意图2、实验在这项研究中使用的材料是冷轧50 CrV4和SK5-CSP钢用于汽车隔膜弹簧。化学成分和制备过程都显示在表格1和2中。50 CrV4是一种添加铬和钒的合金钢；前者提高硬化效果4而后者提高沉淀硬化和抗回火能力5-7。SK5-CSP是一种碳含量达0.84%的高碳工具钢，但是它没有增加任何合金元素(表1)。为方便起见, 以下50 CrV4钢被称为A-Steel,而SK5-CSP被称作B-Steel。在钢的制备过程中，这两种钢主要分为酸洗、球化、冷轧、表皮光轧,热处理。其中,球化的顺序可能是根据这种钢热轧的厚度而有所不同,最终取决于冷轧硅钢片的厚度。表1两种弹簧钢

5、的化学成分(wt. %) 钢 碳 硅 锰 磷 硫 铝 铬 钒 铁 A-钢 0.49 0.29 0.82 0.012 0.004 0.031 1.06 0.11 Bal. B-钢 0.84 0.18 0.44 0.012 0.003 0.002 0.17 Bal.表2两种冷轧弹簧钢的制作过程钢制备过程A-钢热轧(3.5mm)酸洗冷轧(2.5mm)球化(710°C,15h)表面光轧(2.43mm)B-钢热轧(4.5mm)酸洗球化(725°C,13h)冷轧(2.75mm)减压退火(710°C,10h)皮肤通过(2.63mm)图2. (a)拉伸和(b)疲劳试样几何形状和尺

6、寸(单位：mm)在奥氏体850°C下，A-钢回火15分钟和B-钢回火5分钟,油淬火、回火在420°C下持续1小时。为了研究奥氏体温度对疲劳性能的影响,A-钢在850、900、950°C下奥氏体化15分钟,油淬,然后回火1小时，表面硬度是4445 HRc(450°C的情况下奥氏体温度为900°C,470°C的情况下为950°C)。详细的热处理条件见表3。硝酸酒精腐蚀后，用光学显微镜观察微观结构。在200千伏的加速电压下使用透射电子显微镜（TEM）观察微观因素，如马氏体，渗碳体，不溶性合金碳化物，并详细检查碳复型和薄箔的类型和大

7、小。用扫描电子显微镜（SEM）来衡量标本有一个2.5毫米的切口，在液氮中断裂，然后前奥氏体晶粒尺寸大约沿晶面断裂。平板式的拉伸和疲劳试样从热处理钢加工平行的轧制方向和尺寸如图2(a)和(b)。拉伸和疲劳试验标本的设计，测试和数据分别遵循ASTM-8规格和JISZ2275规格的程序。使用试验机在5mm/min的速度下进行拉伸试验。高循环疲劳试验，压缩和拉伸应力完全重复旋转产生的弯曲（平均应力=0）维持不变。一个日本岛津公司的平面弯曲疲劳试验机，适用于6赫兹的试样上应力。一旦发生故障，弯曲通过限制开关自动停止，从而记录冲程和挠度弯曲周期故障点的数量。表3两种冷轧弹簧钢的热处理条件钢奥氏体回火A-钢

8、850°C,15min油淬火420°C,15min油淬火950°C,15min油淬火420°C,1h450°C,1h470°C,1hB-钢850°C,15min油淬火420°C,1h3、结果3.1微观结构图3中的A和B是两个冷轧钢的热处理前的光学显微照片。两种钢显示典型的铁素体矩阵结构分布球状碳化物球化的结构，但B钢和A钢比具有较大的的碳化物和铁素体晶粒。当它们奥氏体在850°C下淬火,转化成马氏体如图图4 a和b。几个球状碳化物不溶的B钢奥氏体中有大量的粗球状碳化物（图4B），虽然大部分在一个钢球形碳化

9、物中溶解（图4a）。在图中 5A和B中，这些淬火结构的TEM照片显示，它们有板条马氏体细碳化物，并可以看出自动回火的形成。双晶变形也观察箭头，双晶变形表示B钢具有较高的碳含量。图5C是在950°C下一个奥氏体钢淬火的TEM照片。此图显示了几乎相同的板条在850奥氏体化的其他A钢的马氏体结构，但包的大小和板条宽度往往较大。图3.光学显微镜照片（A）A和（B）B钢经过冷轧球化后再用3硝酸酒精蚀刻表4列出了从晶断裂面测量前奥氏体晶粒的尺寸。在相同温度下奥氏体化, B钢中的前奥氏体晶粒是A钢的三倍大。这是因为在A钢中合金碳化物含有大量奥氏体化后不溶的钒中断了晶粒的增长，在透射电镜下

10、碳萃取如图6A所示。图6B是不溶合金碳化物的能谱，并证实了钒的大量存在。然而，当A钢奥氏体化图4.光学显微照片（A）A和（B）B钢在850°C下淬火。注释:B钢中有大量的不溶性球状碳化物。温度时，它的晶粒尺寸也明显增加。在420°C淬火之后，有许多恢复错位的渗碳体沉淀在板条内或板条边界。如图7A和B所示B钢中的渗碳体量是大于A钢。图7C是一个透射电镜显示A钢在950°C下奥氏体化,然后在470°C下回火, 从中可以证实，板条宽度和渗碳量随着奥氏体回火温度上升而增加。3.2 力学性能表5显示了两个弹簧钢的维氏硬度试验结果。在冷轧状态热处理前,A钢显示比不钢

11、硬度高，因为A钢具有良好的铁素体晶粒和精细的球状碳化物均匀分布的矩阵。然而,B钢淬火后显示硬度较高，这是因为大量的双晶形成,如图5B所示。在420°C回火后，两种钢的硬度呈同一水平降低,因为不溶合金碳化物在A钢中使回火慢下来5。当奥氏体化超过850°C时，A钢硬度增加,表明高温回火必须保持硬度值在4445之间。表6列出了室温拉伸试验的数据。在冷轧状态下，A钢具有较高的抗拉强度和屈服强度，但比B钢的延伸率低。在回火温度为420°C时,两种钢具备相同的抗拉强度,但B钢的延伸率较高。当奥氏体化温度提高超过850°C，A钢的抗拉强度和屈服强度往往会降低，伸长率随

12、着回火温度上升而提高。通过维持硬度不变来回决定火温度，然而，拉伸强度是不同的。图5.透射电镜照片显示（A）和（B）钢在850下淬火，显示板条马氏体基体和双晶形成（箭头标记）。（C）是A钢950°C下淬火的透射电镜照片图6.透射电镜照片(A)是A钢在850下淬火，显示出不溶性合金碳化物颗粒的碳萃取。照片（B）是用一个用箭头表示，在（A）粒子中的能谱。表4前奥氏体晶粒尺寸钢种奥氏体温度(°C)前奥氏体晶粒尺寸(µm) A-钢8509009506.5±0.711.6±1.815.6±2.9B-钢85020.4±3.43.3 疲劳性

13、能图8显示两种弹簧钢在850°C下奥氏体化和420°C下回火的SN曲线。疲劳极限是指发生疲劳断裂的最小应力水平，这两种钢约670MPa，A钢的疲劳强度高于B钢。表7所示保持恒定的硬度时，两种钢在不同热处理条件下的疲劳极限。随着奥氏体化温度的升高，两种钢的疲劳极限急剧的降低，当奥氏体化温度提高到950°C时，两种钢的疲劳极限降低到约570MPa。图7.透射电镜照片显示（A）A钢和（B）B钢在850下淬火和420°C下回火，呈现出恢复交错的渗碳体沉淀物。（C）是A钢在950下淬火后在470°C下回火的透射电镜照片。在一定的压力下，失效周期数（NF）

14、是裂纹产生周期（Ni）和裂纹扩展周期（NP）的总和。如图9，在980MPa的高压力下,观察裂纹萌生和裂纹扩展点的发展情况,因此测量,并将结果用图表表示。虽然两种钢的裂纹萌生点相同，但是A钢失效的疲劳周期比B钢多出两倍。它能被发现,高度的压力下,裂纹扩展周期比裂纹萌生更容易影响其疲劳寿命8。在裂纹增长的最后阶段，其速度是非常快的，细粒度A钢的裂纹增长率预计比粗粒B钢的慢，因为裂缝增长率是取决于断裂韧性9 细晶组织高于粗粒组织10。图10 A和B是压力行程曲线和在疲劳循环曲线。循环软化不是在低应力呈现两种钢。随着压力的升高，发生循环软化。这是一致的报告，软化现象只出现在钢的抗拉强度与屈服

15、强度之比低于1.2时11。这个循环软化效果主要发生在一个沉重的负荷是应用于熄灭钢和老练,因为重排许多混乱,在钢在主持由于反复压力12。沉淀也起到延缓混乱重排的作用13。因此，由于混乱恢复期间回火作用，在B钢中发生循环软化比A钢更轻微， B钢比A钢具有更高的拉伸强度与屈服强度的比率，即1.16。表5硬度测试数据(载重:10kg)钢种奥氏体温度(°C)回火温度(°C)维氏硬度计硬度(VHN)A-钢_850850900900950950_420_450_470200661458680449716450B-钢_850850_420187819454表6室温拉伸试验数据 钢 奥氏体温

16、度(°C)回火温度(°C)屈服强度(MPa)拉伸强度(MPa)伸长(MPa) A-钢 _ 850 900 950 _ 420 450 470 515 1362 1284 124562814601382134320.26.56.97.3 B-钢_850_4203411264541147027.09.1图8.两种弹簧钢在850°C下淬火和在420°C下回火的SN曲线,显示相同的疲劳极限图9.两种钢在850°C淬火和在420°C回火的应力与疲劳循环4、讨论弹簧钢的疲劳超过105次失效属于高周疲劳类。Grovre14报道, 疲劳极限随着抗拉强

17、度增加而增加。根据他们的报告，抗拉强度低于1400MPa时，疲劳极限范围是40到60。当抗拉强度是超过1400MPa，疲劳极限是恒定的，在大约700MPa时，拉伸强度和疲劳极限之间的关联降低。在强度极高的情况下，不论强度如何增加，疲劳极限都是恒定的，是因为裂缝的高灵敏度使裂缝容易发展成断裂2。如图8所示，当在850奥氏体和420回火时，抗拉强度超过1400 MPa，两种钢的疲劳极限大约是670 MPa，结果Grovre的报道相应14。在A钢在较高的温度下奥氏体化和回火，拉伸强度低于1400 MPa，疲劳极限随着拉伸强度而下降，（表7）。因此，考虑到标本表面硬度固定在4445 HRC，

18、评估弹簧钢的疲劳性能时拉伸强度比硬度更重要。如果抗拉强度超过1400 MPa，疲劳极限恒定在700 MPa左右，抗拉强度低于1400 MPa时，疲劳极限呈线性降低。表7两种冷轧弹簧钢的疲劳极限钢种奥氏体温度(°C)回火温度(°C)疲劳极限(MPa)A-钢850900950420450470670618569B-钢850420670在图8中可以看到，合金元素含量高的A钢有较长的疲劳寿命。这是因为微观结构的不同，尽管它们的硬度和抗拉强度水平相近。球化过程中形成的球状碳化物大多溶解，不溶精细含钒合金碳化物的奥氏体晶粒尺寸非常精细，极大地促进钢结构强度。相反，在B钢中0.

19、84C碳素钢相对粗大的碳化物大量形成，他们不能完全溶解，随后经过奥氏体化和回火，形成结构的剩余部分。这些球状碳化物可以同时覆盖一个裂纹萌生的缺口和一个中断裂纹扩展的洞。可以发现，B钢奥氏体化仅五分钟，板条马氏体而不是平板式马氏体不完全溶解，产生球形碳化物，从而形成矩阵中的碳含量降低。因此，B钢的奥氏体晶粒及马氏体板条是大于A钢，由于碳含量高，形成更多双晶和渗碳体。尽管它们的硬度和强度相同，但是微观结构会有明显的不同，从而导致疲劳性能不同。疲劳裂纹的萌生的主要地点是球形的碳化物或渗碳碳化物，而不是马氏体基体，因为它们又硬又脆甚至在低应力下容易断裂。B钢的碳化物和A钢比具有较高的体积分数，表明B钢

20、裂纹萌生直接影响了其疲劳寿命。因此，如图9所示，B钢比A钢疲劳寿命短，因为B钢疲劳裂纹萌生和扩展的更快，有更多的渗碳和较大的奥氏体晶粒和板条宽度。A钢有少量的碳化物精细结构，因此需要相当多裂纹萌生失效的周期。簧钢疲劳性能依赖机械和微观结构参数。整体分析这些因素，可以发现相同的硬度和强度下，含较低的碳化物量和更精细的结构的A钢整体显示了更好的抗疲劳性能。然而，相同硬度条件下，A钢结构变大，并包含更多的碳化物，通过使用较高的奥氏体化合回火温度，裂纹在碳化物中萌生并很容易沿裂缝扩展，将使疲劳性能恶化。因此，拉伸强度比硬度更能合理地估计弹簧钢的疲劳性能。为了提高疲劳性能，优化合金元素和热处理条件，并尽

21、可能均匀地分配精细碳化物。5、结论1、A钢含铬和钒合金钢，由板条式回火马氏体基体与一些双晶组成，在回火后不溶合金碳化物析出，而B钢是高碳工具钢，由宽板条、大量的双晶、球状碳化物和渗碳回火马氏体基体组成。B钢有比A钢粗的结构，并有更多的碳化物和双晶。2、在850下奥氏体化后和在420°C下回火，A钢和B钢的拉伸强度超过1400MPa，疲劳极限大约是在670 MPa。然而，疲劳应力越高，A钢显示更长的疲劳寿命。3、奥氏体化和回火温度增加时，拉伸强度减少到低于1400 MPa，疲劳极限也呈线性下降。相同的硬度条件下，拉伸强度比硬度更能合理地估计弹簧钢的疲劳性能。图10. A钢和B

22、钢在850淬火和在420°C回火的压力与冲程，在疲劳应力水平较高的循环下软化。鸣谢根据合同号957103-1这项工作得到了浦项钢铁公司（浦项制铁）。作者感谢辜先生的浦项制铁铉。参考文献1 Borik F, Chapman RD, Jominy WE. Trans ASM 1958;50:242.2 Garwood MF, Zurburg HH, Erickson MA. Interpretation of tests and correlation with service, ASM, Metals Park, Ohio 1951;12.3 Scott H. Trans ASM 1956;48:145.4 Thelning K-E. Steel and its heat treatment. 2nd ed. Butterworth and Co., 1984.5 Grange RA, Hribal CR, Poter LF. Metall Trans A 1977;8A:1775.6 Lewellyn DT. Ironmaking and Steelmaking