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激光相變刻痕后可裂解高強(qiáng)度中碳非調(diào)質(zhì)鋼的開發(fā)

刊名：Materials Science and Technology（英）

刊期：2013年第5期

作者：D.Zhang et al

編譯：張英才

裂解是于1980年開始采用的一項(xiàng)新工藝，可以在諸如連桿、凸輪軸蓋等內(nèi)燃機(jī)零件的制造中采用。這項(xiàng)工藝的導(dǎo)入大大降低了制造成本并避免了兩個(gè)零件之間的高強(qiáng)度連接。對(duì)裂解零件的最基本要求是斷裂面的塑性變形極小，兩個(gè)表面能完美地貼合。最初裂解連桿使用的材料是高碳鋼C70S6，這種鋼在通過拉削形成缺口之后可以裂解。但工具磨損會(huì)引起缺口的銳度降低，導(dǎo)致在裂解表面產(chǎn)生塑性變形和其它缺陷。為此，開發(fā)了一種非接觸方法，即用激光在連桿表面形成一條狹窄的溝槽，產(chǎn)生應(yīng)力集中。早期的激光切槽工藝與機(jī)床切槽類似，即在激光熔化與空氣吹射的聯(lián)合作用下形成一條物理溝槽，但這項(xiàng)工藝的缺點(diǎn)是會(huì)形成細(xì)小的熔珠顆粒。開發(fā)了一種新的引發(fā)裂解的激光刻痕方法，這種被稱之為激光相變刻痕（LTN）的工藝不必去掉金屬，利用高功率聚焦激光束掃過表面，在熔化和冷凝的聯(lián)合作用形成脆性馬氏體區(qū)。

隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高，使連桿的負(fù)荷增大，但又要限制連桿的質(zhì)量增大，因此需要用更高強(qiáng)度鋼種取代C70S6，新鋼種還必須滿足裂解工藝的要求。考慮采用添加微合金元素釩（0.09%～0.15%）的中碳非調(diào)質(zhì)鋼，試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分見表1。研究的目的是借助夏比沖擊試驗(yàn)考察LTN深度對(duì)這種含有適量S、P且低Si含量的非調(diào)質(zhì)鋼斷裂的影響。

研究結(jié)果表明，①可以用高能密度激光產(chǎn)生LTN，并引發(fā)鍛造中碳低硅非調(diào)質(zhì)鋼中的脆性裂紋擴(kuò)展，這種鋼的屈服強(qiáng)度為600MPa，拉伸強(qiáng)度為900MPa；②對(duì)于表1中所列3種不同化學(xué)成分的鋼材都已確定LTN深度與夏比沖擊值之間的關(guān)系，刻痕深度對(duì)力-位移曲線、夏比沖擊能和斷裂表面有很大影響，在LTN較淺時(shí)導(dǎo)致斷裂表面出現(xiàn)窄的塑性斷裂帶，而在LTN較深時(shí)則不存在塑性斷裂帶；③含有較高S、P含量的鋼在刻痕深度大于0.4mm時(shí)具有最低的夏比沖擊能2.9J，而S含量較高的鋼則為5.5J，正常S、P含量的基礎(chǔ)鋼為11.2J；④原始鍛鋼中的MnS夾雜物在LTN熔化區(qū)重新分布到再凝固的晶粒邊界，P的分布雖尚未確定，但可推測在凝固期間會(huì)分割枝晶和柱狀晶粒邊界；⑤含有足夠量S、P的試驗(yàn)鋼種適于裂解和更高負(fù)荷領(lǐng)域的應(yīng)用。

表1　試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分　%