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        精沖用鋼淬火前后的顯微組織研究

        2018-04-09 12:18:58楊洪林霍季萍
        上海金屬 2018年1期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能

        楊洪林 霍季萍 王 華

        (1.南極光新材料(上海)有限公司,上?!?01908;2.上海大學(xué)分析測(cè)試中心,上?!?00044;3.镕凝精工新材料科技(上海)有限公司,上?!?01908)

        要進(jìn)行精密沖壓成形的鋼(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為精沖用鋼)不僅需要具備低的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、高的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率等性能,還需要具有良好的淬透性,以獲得足夠數(shù)量的馬氏體。而以上各項(xiàng)性能均與鋼的顯微組織密切相關(guān),因此研究精沖鋼的顯微組織特征是非常必要的。球化退火后精沖用鋼的組織主要為球狀珠光體[1- 2],從而使其獲得低的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、高的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。精沖用鋼淬火后主要為馬氏體,以提高鋼的硬度。但本文研究發(fā)現(xiàn),精沖用鋼淬火后,除了形成大量的馬氏體,還發(fā)現(xiàn)存在大量的ω相。已知ω相是一種亞穩(wěn)相,通常存在于bcc結(jié)構(gòu)的基體中,目前在其他結(jié)構(gòu)中還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。當(dāng)bcc晶格的晶體不穩(wěn)定時(shí),ω相易從基體中析出。鋼中bcc結(jié)構(gòu)的α- Fe大量存在于鐵素體、馬氏體和貝氏體中,其中雜質(zhì)元素會(huì)增加α- Fe的不穩(wěn)定性,從而形成ω相[3]。ω相的晶格參數(shù)取決于bcc基體結(jié)構(gòu),原始ω相與基體的位向關(guān)系為:[- 113]bcc//[1213]ω,(110)bcc//(0- 11- 1)ω, (- 21- 1)bcc//(10- 10)ω。最早是在β- Ti中發(fā)現(xiàn)這種六方結(jié)構(gòu)的ω相,文獻(xiàn)[4- 5]研究了ω相對(duì)鋼的力學(xué)性能和物理性能的影響。ω相的轉(zhuǎn)變途徑可分為兩種[6- 8]:一種在無(wú)擴(kuò)散的淬火或變形過(guò)程中形成;另一種等溫ω相在時(shí)效過(guò)程中通過(guò)原子擴(kuò)散而析出。

        ω相通常呈顆粒狀或橢球狀。早在20世紀(jì)80年代就有研究表明,在第Ⅳ族過(guò)渡金屬(Ti,Zr和Hf)及其合金中,高密度的細(xì)小ω相會(huì)使合金強(qiáng)化,但當(dāng)ω相粒徑增大時(shí),會(huì)使材料嚴(yán)重脆化、力學(xué)性能明顯降低[9]。目前有研究者[10]通過(guò)第一原理計(jì)算和三維原子探針觀察證實(shí),一定量的碳會(huì)誘導(dǎo)ω相形成,ω相晶體結(jié)構(gòu)的形成取決于bcc晶格結(jié)構(gòu),而ω相的穩(wěn)定性與含碳量有關(guān)。

        本文研究發(fā)現(xiàn),鋼的力學(xué)性能與ω相密切相關(guān),目前國(guó)內(nèi)在這方面的研究較少,因此本文研究了精沖用鋼淬火前后的顯微組織及淬火后鋼中ω相的特征及其對(duì)鋼的性能的影響。

        1 試驗(yàn)材料及試樣制備

        試驗(yàn)用兩種精沖用鋼的化學(xué)成分如表1所示,其球化退火工藝示于圖1。將試樣加熱至Ac1以上20~30 ℃,保溫2~4 h,以30 ℃/h速度爐冷至Ar1以下約20 ℃等溫。等溫后再爐冷至600~500 ℃左右空冷。

        表1 試驗(yàn)用精沖用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the investigated steels to be accurately stamped (mass fraction) %

        圖1 試驗(yàn)用鋼的球化退火工藝Fig.1 Spheroidizing for the investigated steels

        將退火后的試塊奧氏體化5 min,然后水淬,按照GB/T 228—2010將試塊加工成拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。將淬火后的試樣拋光,按照 GB/T 4340.1—1999和GB/T 4342—1991測(cè)定硬度。

        透射電鏡試樣的制備是獲得高質(zhì)量透射電鏡照片的關(guān)鍵。將淬火前后的1、2號(hào)鋼試樣線切割成約2 mm厚的試片,再手工磨至厚度小于100 μm,隨后將試片沖切成直徑3 mm的小圓片。采用濃度為10%(體積分?jǐn)?shù))的高氯酸酒精電解液對(duì)試片進(jìn)行電解雙噴,制備透射電鏡觀察用樣品,采用2100F場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡觀察、分析。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        淬火后兩種鋼的力學(xué)性能如表2所示。可以看出,淬火后2號(hào)鋼的硬度較1號(hào)鋼高。

        表2 試驗(yàn)用鋼淬火后的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the investigated steels after quenching

        對(duì)明暗場(chǎng)相的分析表明,在基體[- 113]方向有六方結(jié)構(gòu)的ω相形成。由于與基體化學(xué)成分相似,導(dǎo)致ω相與基體界面不明顯,只有在暗場(chǎng)像中才能看到ω相,如圖4所示。

        圖3 1號(hào)鋼淬火后的(a)顯微組織、(b)基體和(c)ω相的衍射斑點(diǎn)標(biāo)定Fig.3 (a) Microstructure of the steel No.1 after quenching and diffraction spot calibration of (b) the matrix and (c) the ω phase

        圖4 淬火后1號(hào)鋼中ω相的(a)明場(chǎng)和(b)暗場(chǎng)形貌Fig.4 (a) Bright and (b) dark field micrographs of the ω phase in the steel No. 1 after quenching

        2號(hào)鋼球化退火后的顯微組織如圖5(a)所示,主要為鐵素體和球狀珠光體。圖5(a)與圖2相比,可以看到兩種精沖用鋼球化退火后的球狀組織粗細(xì)不同,2號(hào)鋼組織較細(xì)小、球化率較高,有利于提高鋼的力學(xué)性能。兩種材料的退火工藝相同但化學(xué)成分略有差異,2號(hào)鋼中S、Al含量較高,因此得到的球狀組織較細(xì)小,球化率也較高。2號(hào)鋼淬火后的組織如圖5(b)所示,可以看到有大量ω相,與1號(hào)鋼相比,2號(hào)鋼中的ω相數(shù)量明顯減少,而且ω相的尺寸也較1號(hào)鋼小。ω相的形成可能會(huì)引起鋼的顯著強(qiáng)化。隨著ω粒子體積分?jǐn)?shù)的增多,鋼的力學(xué)性能明顯降低[11- 12]。如表2所示,2號(hào)鋼淬火后的硬度高于1號(hào)鋼。

        對(duì)淬火后的1號(hào)鋼進(jìn)行EDS分析,結(jié)果如圖6所示。在選定區(qū)域進(jìn)行面掃描,并分析基體和ω相的成分。結(jié)果表明,基體的成分主要是Fe和C、N元素,而ω相只有Fe和Cr元素。鋼中的C會(huì)與Cr形成(Cr,Fe)C化合物,Cr可提高鋼的淬透性,但大量大顆粒(Cr,Fe)C析出將對(duì)鋼的耐疲勞性能不利[13- 15]。

        圖5 2號(hào)鋼淬火(a)前、(b)后的顯微組織Fig.5 Microstructures of the steel No. 2 (a)before and (b) after quenching

        圖6 1號(hào)鋼淬火后的(a)顯微組織、(b)ω相和(c)基體的能譜圖Fig.6 (a) Microstructure, EDS analysis of (b) the ω phase and (c) the matrix for the steel No.1 after quenching

        由表1可知,研究用兩種鋼的成分略有差異,導(dǎo)致球化退火后兩者珠光體的球化率明顯不同。由鋼的顯微組織可知,2號(hào)鋼珠光體的球化率高于1號(hào)鋼,而且淬火后1號(hào)鋼中ω相的數(shù)量明顯多于2號(hào)鋼。由此可以得出結(jié)論:如果精沖用鋼退火后珠光體的球化率較低,會(huì)引起ω相增多,而ω相粒子體積分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增大會(huì)降低鋼的力學(xué)性能。精沖用鋼珠光體的球化率主要取決于球化退火工藝,如退火溫度、保溫時(shí)間等,因此采用合理的球化退火工藝尤為重要。由于兩種鋼化學(xué)成分的差異使其珠光體球化率也不同,因此可以得出結(jié)論,即ω相的產(chǎn)生與精沖用鋼的化學(xué)成分和退火工藝均密切相關(guān)。

        3 結(jié)論

        (1)在一定條件下,兩種化學(xué)成分稍有差異的精沖用鋼淬火后均易形成ω相。如果淬火前鋼中珠光體的球化率較高,則淬火后組織中的ω相較少,隨著珠光體球化率的降低,ω相數(shù)量增加。

        (2)精沖用鋼淬火后如果含有大量的ω相,會(huì)使鋼的硬度降低,并且不利于淬透性的提高。

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