孔德軍,張壘,付貴忠

(1.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇常州 213016;2.江蘇省大型重載齒輪傳動(dòng)工程技術(shù)研究中心,江蘇常州 213012)

激光淬火對(duì)40CrNiMo高強(qiáng)度鋼拉伸性能與斷口形貌的影響

孔德軍1,2,張壘1,付貴忠1

(1.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇常州 213016;2.江蘇省大型重載齒輪傳動(dòng)工程技術(shù)研究中心,江蘇常州 213012)

利用CO2激光對(duì)40CrNiMo高強(qiáng)度鋼表面進(jìn)行了淬火處理,通過拉伸對(duì)比試驗(yàn)分析了激光淬火處理對(duì)試樣拉伸性能的影響,用掃描電鏡和能譜分析儀觀察了激光淬火前后試樣斷口形貌與化學(xué)成分組成,并對(duì)其斷裂機(jī)理進(jìn)行了探討。結(jié)果表明:激光淬火后40CrNiMo的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了25.3%、24.4%和7.1%,而斷面收縮率降低了7.6%,存在明顯的屈服階段,呈現(xiàn)出連續(xù)屈服特征;與原始試樣相比,激光淬火后40CrNiMo的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯提高,拉伸斷裂方式和分層現(xiàn)象沒有明顯改善,試樣表面斷口處孔隙率降低,呈現(xiàn)準(zhǔn)解理形貌。

材料科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科;激光淬火;40CrNiMo;拉伸性能;材料斷裂;斷口形貌

0 引言

40CrNiMo(相當(dāng)于美國(guó)SAE標(biāo)準(zhǔn)4340)鋼以其韌性好、強(qiáng)度高的特點(diǎn),在航空、汽車和大型齒圈等制造業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,主要被用于制造高負(fù)荷的軸類零件和承受沖擊載荷的構(gòu)件[1],如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸、大型客機(jī)起落架、后橋半軸以及航空用大型齒圈[2]。盡管高含量的 Ni、Mo提高了40CrNiMo的淬透性和抗過熱穩(wěn)定性,但由于其白點(diǎn)敏感度高,容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力集中,形成微裂紋[3-4],降低了材料的拉伸性能和伸長(zhǎng)率,使其發(fā)生斷裂的概率增加,造成安全隱患,因此,有必要研究提高其拉伸性能的強(qiáng)化方法。目前,表面強(qiáng)化處理的傳統(tǒng)工藝主要有噴丸、滲氮和涂層等[5-6],其基本原理是在材料表面引入殘余壓應(yīng)力或在材料表面制備強(qiáng)化層。但是經(jīng)過噴丸和滲碳處理后,材料表面粗糙度會(huì)明顯增加,強(qiáng)化層梯度過大和厚度不均也是傳統(tǒng)工藝無法解決的困難問題。激光淬火是一種新型的加工工藝,經(jīng)過激光淬火后材料表面粗糙度變化和形變量小,且淬火過程中功率和掃描速率恒定,保證淬火強(qiáng)化層分布均勻[7]。當(dāng)具有高能量密度的激光束在需要強(qiáng)化的區(qū)域掃描時(shí),材料瞬間吸收能量,溫度急劇升高,材料表面奧氏體化,該過程僅約0.2 s,然后材料表面以104～106℃/s的速度自冷,達(dá)到了理想的自淬火效果。經(jīng)過激光淬火后,材料表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,有效地阻止裂紋的萌生和擴(kuò)展。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)40CrNiMo鋼強(qiáng)化處理的研究主要集中在傳統(tǒng)表面強(qiáng)化工藝對(duì)其疲勞性能的影響,而激光淬火對(duì)40CrNiMo鋼拉伸性能的研究鮮見報(bào)道。本文對(duì)40CrNiMo高強(qiáng)度鋼進(jìn)行激光淬火試驗(yàn),通過拉伸試驗(yàn)分析了激光淬火對(duì)其拉伸斷裂和斷口形貌的影響,為該材料拉伸力學(xué)性能和安全評(píng)估提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為40CrNiMo鋼,其化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù):C為0.37%～0.44%,Si為0.20%～0.40%,Mn為0.50% ～0.80%,Cr為0.60% ～0.90%,Mo為0.15%～0.25%,Ni為1.25%～1.75%.激光淬火試驗(yàn)在GLS-ⅠB型激光加工系統(tǒng)上進(jìn)行,用液氮冷卻。拉伸試樣尺寸如圖1所示,力學(xué)性能取3個(gè)試樣的平均值,試樣分為2組:原始狀態(tài)試樣和激光淬火試樣。激光淬火試樣為整體淬火,工藝參數(shù):功率1.5 kW,掃描速度70 mm/s,光斑直徑3 mm,搭接量50%,用液氮冷卻保護(hù),即得試驗(yàn)所需試樣。激光淬火前后試樣的金相組織用VH-Z100R型工具顯微鏡觀察,截面形貌用JSUPRA55型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析,殘余應(yīng)力采用常規(guī)法中sin2ψ法,ψ分別為0°、15°、30°、45°,Cr靶Kα輻射,衍射面為(211)晶面。計(jì)數(shù)掃描方式為分步掃描,掃描步距0.2°,掃描范圍為168°～147°,X射線強(qiáng)度用定時(shí)計(jì)數(shù),每步計(jì)數(shù)時(shí)間為0.5 s,應(yīng)力常數(shù) K=-318 MPa/(°).在WDS-100型電子式萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),在試樣上加位移引伸計(jì)測(cè)量試樣伸長(zhǎng)量。通過計(jì)算機(jī)采集拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù),得到激光淬火前后試樣的拉伸曲線,即應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試樣拉斷后,采用JSUPRA55型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡及其配制的電子能譜儀分析斷口形貌和化學(xué)元素的組成。

圖1 拉伸試樣示意圖Fig.1 Sketch of tensile sample

2 結(jié)果分析與討論

2.1 拉伸曲線

圖2為40CrNiMo鋼原始試樣和激光淬火試樣經(jīng)拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,其拉伸過程分為彈性形變、均勻塑性形變和局部形變3個(gè)階段。在試驗(yàn)開始時(shí)試樣處于彈性形變過程,在曲線中變化趨勢(shì)表現(xiàn)為直線。當(dāng)應(yīng)力增加到一定程度時(shí)試樣開始出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,曲線中表現(xiàn)出一小段明顯的屈服平臺(tái)。應(yīng)力超過屈服極限后,試樣進(jìn)入均勻塑性形變過程,出現(xiàn)變形硬化,材料拉伸性能得到提高,試樣達(dá)到最大抗拉強(qiáng)度。此后材料進(jìn)入局部形變階段,形成了拉伸斷裂過程。由圖2可知,經(jīng)激光淬火后40CrNiMo鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度得到明顯的提高。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves

表1為圖2中40CrNiMo鋼原始試樣和激光淬火試樣的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。由表1可見,激光淬火試樣的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均得到提高,其屈服強(qiáng)度 σy上升 25.3%,拉伸強(qiáng)度 σe提高24.4%,伸長(zhǎng)率δ提高7.1%,而斷面收縮率ψ降低7.6%。其內(nèi)積功W從179 J上升至211 J,主要是由晶粒細(xì)化和殘余壓應(yīng)力所致。與原始試樣相比,激光淬火試樣的斷面收縮率下降較小,伸長(zhǎng)率有所增加,這表明激光淬火提高了40CrNiMo鋼拉伸強(qiáng)度,而對(duì)其拉伸斷裂方式?jīng)]有產(chǎn)生明顯的改變。

表1 試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Tensile test results of sample

2.2 斷口形貌分析

圖3(a)為原始試樣斷口宏觀形貌,其斷口主要由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)三部分組成。在拉伸過程中裂紋起源于纖維區(qū),經(jīng)過擴(kuò)展后形成放射區(qū),到達(dá)表面時(shí)形成比較平滑的剪切唇區(qū)[8]。由圖3(a)可以觀察到一條明顯的深裂紋貫穿纖維區(qū)和放射區(qū),出現(xiàn)分層斷裂現(xiàn)象,這是在拉伸時(shí)試樣內(nèi)部雜質(zhì)粒子與基體界面處的拉伸應(yīng)力達(dá)到臨界值,粒子與基體之間出現(xiàn)顯微空洞,該空洞最先出現(xiàn)且擴(kuò)展速度最快,導(dǎo)致宏觀應(yīng)變的萌生。其宏觀應(yīng)變[9]

式中:rp為雜質(zhì)粒子半徑;b為伯格斯矢量的模;G為剪切模量;σc為理解拉應(yīng)力;σm為外加平均應(yīng)力,

式中:p為拉伸試驗(yàn)中拉力;A為雜質(zhì)粒子處橫截面積。

(1)式中宏觀應(yīng)變?chǔ)舗最終發(fā)展成為宏觀裂紋,斷裂起始位置位于纖維區(qū),如圖3(b)所示,斷口纖維區(qū)都是韌性斷口,發(fā)生的是塑性變形,變形過程中微裂紋不斷擴(kuò)展連接形成無數(shù)細(xì)小的纖維峰,纖維區(qū)即由這些細(xì)小的纖維峰組成,每個(gè)峰的小斜面與拉伸軸約成45°角。放射區(qū)較大,表面不平整,可以觀察到明顯的放射纖維形態(tài)的花樣,放射源呈纖維狀且比較直,其放射方向與裂紋擴(kuò)展方向一致,逆指向裂紋源,如圖3(c)所示。當(dāng)微裂紋擴(kuò)展至剪切唇區(qū)時(shí),內(nèi)部塑性形變沿著最大剪切應(yīng)力平面擴(kuò)展,在該平面上試樣的橫截面積越來越小,其剪切應(yīng)變率[10]

式中:v為加載速率;dmin為橫截面最小直徑。

由(3)式可知,在加載速率不變時(shí),該平面上剪切應(yīng)變率增大,其剪切應(yīng)變[10]

由(4)式可知,剪切應(yīng)變不斷增大,產(chǎn)生很多強(qiáng)烈切變的窄帶。當(dāng)窄帶數(shù)量增加到一定程度時(shí),裂紋即沿著窄帶出現(xiàn),表現(xiàn)為韌窩狀,如圖3(d)所示。

圖4(a)為激光淬火試樣宏觀斷口形貌,激光淬火試樣斷口宏觀外貌呈杯錐狀,有明顯的分層現(xiàn)象,主要由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)組成。其中大部分區(qū)域在放射區(qū)內(nèi),中心的纖維區(qū)表面較平坦,很容易判斷出裂紋擴(kuò)展方向。圖4(b)為纖維區(qū)韌窩形貌,主要呈等軸韌窩聚集,在韌窩底部能看到第二相粒子的存在,其韌窩尺寸與深度跟原始試樣相差不大,說明激光淬火并未影響到材料心部的韌性。從斷口宏觀形貌可以看出放射區(qū)的放射花樣為放射剪切形態(tài),放射元形態(tài)是剪切峰,圖4(c)為斷口放射區(qū)剪切峰縱向隙裂形貌。微裂紋從纖維區(qū)擴(kuò)展至該區(qū)域時(shí),擴(kuò)展速率變得不再穩(wěn)定,而且速率加快,材料塑性變形被限制在裂紋前端很小的區(qū)域內(nèi),使得裂紋有可能向四周各個(gè)方向擴(kuò)展。當(dāng)裂紋前端出現(xiàn)缺陷或雜質(zhì)時(shí)便開始形成剪切脊,其頂端在軸向和徑向拉應(yīng)力的共同作用下,裂紋會(huì)沿著軸向缺陷形成的微型空洞擴(kuò)展,形成縱向隙裂[11]。因此,縱向隙裂表面比較平整,大致韌窩沿著拉伸軸向分布,且有較多的缺陷。圖4(d)為剪切唇區(qū)準(zhǔn)解理加上韌窩形貌,其斷面存在不連續(xù)的解理小平面,在平面處還存在著伴有撕裂棱的韌窩。這是由于激光淬火使晶體晶粒細(xì)化,在細(xì)化過程中晶格內(nèi)部出現(xiàn)缺陷,這些缺陷使解理裂紋在不同平面或同種類型的平行平面上擴(kuò)展,在二者交界處形成解理面。經(jīng)過激光淬火試樣表面得到的孿晶馬氏體是一種脆性相[12],在試樣斷裂時(shí)使應(yīng)變集中于晶界,形成準(zhǔn)解理斷口形貌[13]。

圖3 原始試樣斷口形貌Fig.3 Fracture morphologies of original samples

2.3 內(nèi)部缺陷與雜質(zhì)

圖4 激光淬火試樣斷口形貌Fig.4 Fracture morphologies of the samples after laser quenching

圖5(a)為原始試樣內(nèi)部的夾雜物和孔洞缺陷形貌。斷口處主要呈現(xiàn)韌窩形貌,基本都是細(xì)小的等軸韌窩區(qū),且包圍著雜質(zhì)或缺陷形成的顯微空洞,這些缺陷處的韌窩尺寸和深度與周圍韌窩相比更大且深。這是由于試樣內(nèi)部存在著一些與金屬相的物理性質(zhì)不同的夾雜物,其能譜分析如圖5(b)所示,質(zhì)量百分?jǐn)?shù):C為 21.10%,O為 5.42%,Al為0.07%,Si為0.38%,S為0.13%,Cr為0.68%,Fe為72.23%,另有微量Mn元素未顯示。在O、Al和S等雜質(zhì)元素富集處易于形成這一系列孔洞[13],周圍塞積的位錯(cuò)環(huán)在拉應(yīng)力作用下會(huì)逐漸向這些夾雜物運(yùn)動(dòng)并發(fā)生塑性變形,當(dāng)變形強(qiáng)度能克服雜質(zhì)與基體間的界面結(jié)合力時(shí),便形成了顯微空洞。此時(shí)外圍的位錯(cuò)源形成新位錯(cuò)環(huán),且繼續(xù)向顯微空洞聚集,使得顯微空洞不斷長(zhǎng)大,并在周圍產(chǎn)生許多細(xì)小空洞[14]。在剪應(yīng)力作用下各相鄰顯微空洞間的基體材料發(fā)生頸縮并形成分裂線薄脊,最終斷裂,出現(xiàn)圖5(c)中韌窩斷口形貌。

圖5 原始試樣內(nèi)部雜質(zhì)、孔洞與能譜分析Fig.5 Impurities and holes and energy spectrum analysis of the original samples

剪切唇區(qū)域處于激光硬化區(qū),與原始試樣相比,該區(qū)域的孔洞缺陷數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原始試樣,在韌窩底部和位于解理平面不連續(xù)處的微小裂縫處發(fā)現(xiàn)有夾雜物,如圖6(a)所示。夾雜物處化學(xué)元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù):C為5.77%,O為12.68%,Al為0.16%,Si為0.42%,Mn為15.15%,Fe為65.82%,另有微量的Cr未顯示,如圖6(b)所示。其中O元素含量明顯增加,說明在激光淬火過程中引入的雜質(zhì)粒子主要是氧化物雜質(zhì)。其原因是激光淬火提高了雜質(zhì)的分散性。試樣受到拉伸應(yīng)力時(shí)在獨(dú)立的雜質(zhì)處形核,缺少了顯微空洞在孔洞缺陷處形核、長(zhǎng)大、集聚的過程,因而,在斷口處很難觀察到孔洞缺陷。次表層的晶粒在一定程度上也相應(yīng)地得到細(xì)化,導(dǎo)致次表層晶界數(shù)量增加,位錯(cuò)源增多,且集聚在一起,經(jīng)過拉伸試驗(yàn)后該區(qū)域形成的韌窩明顯集聚在一起,如圖6(a)中左側(cè)區(qū)域所示。試樣表層硬化區(qū)在晶粒細(xì)化過程中出現(xiàn)了晶格的變形缺陷,使裂紋在不同平面上擴(kuò)展,形成解理平面,屬于脆性斷裂范疇。但是解理裂紋擴(kuò)展過程中還發(fā)生了塑性形變,出現(xiàn)了韌窩形貌,如圖6(a)中右側(cè)區(qū)域所示,試樣表面斷口形貌為準(zhǔn)解理形貌。

圖6 激光淬火試樣內(nèi)部缺陷與能譜分析Fig.6 Internal defects and energy spectrum analysis of the samples after laser quenching

2.4 分析與討論

2.4.1 表面金相分析

原始狀態(tài)試樣調(diào)質(zhì)處理后組織為回火索氏體組織,鐵素體基體內(nèi)分布著碳化物(包括滲碳體)球粒的復(fù)合組織,晶粒等級(jí)為5～6級(jí),如圖7(a)所示。激光淬火試樣組織為細(xì)小的馬氏體組織,晶粒度為7～8級(jí),如圖7(b)所示。激光淬火搭接區(qū)主要由回火屈氏體、回火馬氏體組成,如圖7(c)所示。用HX500型顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試,淬火區(qū)和搭接區(qū)顯微硬度分別為 HV750～HV780和 HV400～HV420,這表明激光淬火試樣表面顯微硬度產(chǎn)生了不均勻性,在一定程度上影響了試樣的拉伸性能,但不會(huì)形成拉伸破壞的裂紋源。

圖7 激光淬火前后試樣金相組織Fig.7 Metallographic structures of the samples before and after laser quenching

2.4.2 淬火層形貌

原始狀態(tài)試樣截面形貌如圖8(a)所示,組織分布均勻。激光淬火試樣由于自身和液氮的冷卻,使淬火溫度急劇下降,表面獲到細(xì)晶馬氏體,形成1 mm深度的激光淬火層,如圖8(b)所示,單道激光淬火區(qū)截面呈月牙狀分布。激光淬火形成的晶粒細(xì)化層阻礙裂紋在表面產(chǎn)生和擴(kuò)展時(shí),拉伸應(yīng)力由更多的晶粒和晶界來承擔(dān),使得試樣的拉伸性能有所提高。

圖8 激光淬火前后40CrNiMo截面形貌Fig.8 Section morphologies of 40CrNiMo before and after laser quenching

2.4.3 殘余應(yīng)力分析

激光淬火后試樣表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力302.0 MPa±5.0 MPa轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力-86.8 MPa± 25.0 MPa,如圖9所示。殘余壓應(yīng)力值明顯增大,半高寬值也明顯增加,這是由于激光淬火導(dǎo)致材料產(chǎn)生馬氏體相變,晶粒尺寸變小,表現(xiàn)為高的殘余壓應(yīng)力,可部分抵消載荷在試件受拉面上施加的拉應(yīng)力,有利于提高試樣的拉伸強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1)激光淬火后40CrNiMo鋼抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率分別提高24.4%、25.3%和7.1%,而斷面收縮率降低7.6%,斷口為韌性斷裂,晶粒細(xì)化和殘余壓應(yīng)力是改善拉伸性能的主要因素。

2)激光淬火后40CrNiMo鋼表面晶粒細(xì)化導(dǎo)致晶格缺陷,表層斷口為準(zhǔn)解理形貌,屬于脆性加上韌性斷裂。

3)激光淬火后40CrNiMo鋼表層及次表層孔隙率降低,降低了孔洞缺陷出現(xiàn)的概率,有效地阻礙裂紋的擴(kuò)展。

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Effect of Laser Quenching on Tensile Properties and Fracture Analysis of 40CrNiMo High Strength Steel

KONG De-jun1,2,ZHANG Lei1,FU Gui-zhong1
(1.College of Mechanical Engineering,Changzhou University,Changzhou 213016,Jiangsu,China; 2.Jiangsu Province Engineering Technology Research Center for Large Heavy Gear Transmission, Changzhou 213012,Jiangsu,China)

The surface of 40CrNiMo high strength steel is treated with CO2laser,the effect of laser quenching on tensile property of the sample is investigated through the tensile comparative test,and the fracture morphologies of 40CrNiMo before and after surface laser quenching are analyzed by scanning electron microscope and energy dispersive spectrometer,respectively.The results show that the yield strength,tensile strength and elongation of 40CrNiMo steel after laser quenching are increased by 25.3%,24.4%and 7.1%,respectively,while the section shrinkage is decreased by 7.6%.40CrNiMo steel has obvious yield stage after laser quenching,showing a continuous yield feature.Compared with the primitive sample,the yield strength and tensile strength of 40CrNiMo steel after laser quenching increase,but there are no obvious improvements in the tensile failure mode and the delamination,and the quasi cleavage morphology and low porosity appear at the fracture near the surface of the sample after laser quenching.

basic disciplines of materials science;laser quenching;40CrNiMo;tensile property;material fracture;fracture morphology

TN249;TG115.5+2

A

1000-1093(2014)07-0996-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.07.009

2013-08-26

江蘇省科技支撐計(jì)劃(工業(yè))項(xiàng)目(BE2012066);中國(guó)學(xué)位與研究生教育學(xué)會(huì)研究課題項(xiàng)目(C1-2013Y07-051)

孔德軍(1966—),男,副教授,碩士生導(dǎo)師。E-mail:kong-dejun@163.com;

張壘(1990—),男,碩士研究生。E-mail:zhanglei90327@163.com