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        不同水韌處理工藝下鈮微合金化高錳鋼的組織演變和力學(xué)性能

        2022-04-19 09:06:08于洪軍程福超馬澤天王永金陳俊豪陳正家宋傳頌馨
        金屬熱處理 2022年4期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能

        于洪軍, 程福超, 馬澤天, 王永金, 陳俊豪, 陳正家, 宋傳頌馨

        (1. 鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司 大孤山球團(tuán)廠, 遼寧 鞍山 114004;2. 北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100083)

        傳統(tǒng)高錳鋼(Hadfield steel)憑借其較高的加工硬化能力和耐磨性被廣泛應(yīng)用在電鏟鏟齒、球磨機(jī)和破碎機(jī)襯板領(lǐng)域,但是傳統(tǒng)高錳鋼在低沖擊載荷下不能完全發(fā)揮出優(yōu)秀的加工硬化能力,從而造成經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。因此如何延長耐磨件的使用壽命,提高經(jīng)濟(jì)效益成為現(xiàn)在提高設(shè)備生產(chǎn)效率的一個關(guān)鍵因素與重要問題。目前,國內(nèi)外研究者采用B、Cr、V、Nb、Ti和Mo等合金元素對傳統(tǒng)高錳鋼進(jìn)行合金化,旨在提高高錳鋼的初始硬度和耐磨性,但是高含量的合金元素不僅成本高,而且在冶煉過程中比較難控制[4-5]。Nb能夠使高錳鋼的強(qiáng)度明顯增加,屈服強(qiáng)度提高將近1倍。在受到?jīng)_擊載荷時,鋼的強(qiáng)化速度提高很快,因而很耐磨。本文通過對高錳鋼進(jìn)行Nb微合金化,研究了不同的水韌處理對高錳鋼組織演變、力學(xué)性能及斷裂行為的影響,獲得一種具有優(yōu)異性能的耐磨高錳鋼。

        1 試驗材料與方法

        試驗采用中頻感應(yīng)熔煉與鑄造法制備的鈮微合金化高錳鋼,鑄錠的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為1.20C、14.20Mn、0.70Si、1.99Cr、0.037Nb,余量Fe。從鑄錠上取樣進(jìn)行不同的水韌處理:①在1000、1050、1100和1150 ℃下保溫1.5 h后水冷到室溫;②在1100 ℃下分別保溫1.0、1.5和2.0 h,然后水冷至室溫。從不同水韌處理后的試驗鋼上切取金相試樣、拉伸試樣及標(biāo)準(zhǔn)U型缺口沖擊試樣,金相試樣經(jīng)打磨拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后,用ZEISS Imager M2光學(xué)顯微鏡和ZEISS EVO18掃描電鏡進(jìn)行觀察,研究不同水韌處理條件下的顯微組織變化。依據(jù)GB/T 231.1—2012《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》、GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》和GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》,在室溫下利用布氏硬度計、擺錘試驗機(jī)和電子萬能試驗機(jī)測量不同水韌處理后試樣的硬度、沖擊吸收能量和強(qiáng)度,探究其在不同水韌處理條件下的力學(xué)性能變化,并對沖擊斷口形貌進(jìn)行觀察,研究其斷裂機(jī)理。

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 鑄態(tài)顯微組織

        鈮微合金化高錳鋼在鑄態(tài)下具有很高的耐磨性,這得益于鈮元素可顯著細(xì)化鑄態(tài)組織,并在一定程度上阻礙網(wǎng)狀碳化物聚集在晶界處,而且在奧氏體組織中能夠形成含有鈮元素的高硬度碳化物NbC,提高基體初始硬度,從而提高力學(xué)性能。圖1為試驗鋼的鑄態(tài)顯微組織,主要由奧氏體和碳化物組成,其中分布在晶界處的網(wǎng)狀碳化物會影響試驗鋼的韌性與塑性。

        圖1 鈮微合金化高錳鋼鑄態(tài)顯微組織Fig.1 Microstructure of the as-cast Nb-alloyed high manganese steel

        2.2 水韌處理溫度對顯微組織的影響

        圖2為試驗鋼在1000、1050、1100和1150 ℃保溫1.5 h水冷至室溫后的顯微組織??梢钥闯觯壩⒑辖鸹咤i鋼水韌處理后的主要組織為奧氏體和少量未溶碳化物,水韌處理溫度為1000~1100 ℃時,隨著溫度的上升,碳化物不斷溶入基體,而且晶粒沒有明顯長大。當(dāng)水韌處理溫度為1150 ℃時,碳化物基本溶入奧氏體,但是晶粒明顯粗化,不利于試驗鋼的性能。水韌處理后的組織與鑄態(tài)時相比,原本呈網(wǎng)狀的粗大碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?xì)小的條狀或點(diǎn)狀碳化物。水韌處理溫度在1100 ℃時,顯微組織中的碳化物基本溶解,且晶粒較為細(xì)小。利用掃描電鏡及能譜儀對在1100 ℃保溫1.5 h水冷的試樣進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3所示。可以看出,顯微組織中的碳化物含有較多的Mn、Cr和Nb元素,說明這些合金元素容易在晶界處發(fā)生偏析,與C元素形成較復(fù)雜的碳化物,這些碳化物一般具有較高的硬度,能夠顯著提高試驗鋼的耐磨性能。

        圖2 不同水韌處理溫度下試驗鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of the tested steel at different water toughening temperatures(a) 1000 ℃; (b) 1050 ℃; (c) 1100 ℃;(d) 1150 ℃

        圖3 試驗鋼經(jīng)1100 ℃水韌處理1.5 h后的SEM圖(a)和EDS結(jié)果(b)Fig.3 SEM image(a) and EDS analysis(b) of the tested steel after water toughening at 1100 ℃ for 1.5 h

        2.3 水韌處理時間對顯微組織的影響

        圖4為試驗鋼在1100 ℃下分別保溫1.0、1.5和2.0 h水冷至室溫后的顯微組織??梢钥闯?,隨保溫時間的延長,晶界處和晶內(nèi)的碳化物溶解得更加完全,由鑄態(tài)組織中呈網(wǎng)狀的碳化物轉(zhuǎn)化為呈點(diǎn)狀的碳化物,再由點(diǎn)狀的碳化物轉(zhuǎn)化為基本無碳化物,同時隨著保溫時間的延長,奧氏體晶粒也有長大的趨勢。

        圖4 不同水韌處理時間下試驗鋼的顯微組織Fig.4 Microstructure of the tested steel under different water toughening time(a) 1.0 h; (b) 1.5 h; (c) 2.0 h

        2.4 水韌處理對力學(xué)性能的影響

        表1為不同水韌處理溫度和時間下試驗鋼的力學(xué)性能。可以看出:水韌處理時間相同時,隨著水韌處理溫度的上升,試驗鋼的強(qiáng)度和沖擊吸收能量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在1100 ℃時達(dá)到最大值;當(dāng)水韌處理溫度不變時,強(qiáng)度和沖擊吸收能量呈現(xiàn)出相同的變化趨勢,在保溫時間為1.5 h時達(dá)到峰值。這是因為當(dāng)水韌處理溫度為1100 ℃或水韌處理時間為1.5 h時,基體中的碳化物基本全部溶解在基體中,由于合金元素的固溶強(qiáng)化效果,提高了試驗鋼的力學(xué)性能,而且此時奧氏體晶粒較為細(xì)小,沒有明顯的長大,因此試驗鋼具備了較高的強(qiáng)度和韌性。當(dāng)溫度為1150 ℃或保溫時間為2.0 h時,晶粒有明顯長大的趨勢,根據(jù)Hall-Petch效應(yīng),試驗鋼的強(qiáng)度有些許下降。

        表1 不同水韌處理工藝下試驗鋼的力學(xué)性能

        對不同水韌處理工藝下試驗鋼的沖擊斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察,如圖5所示??梢钥闯觯T態(tài)試驗鋼的沖擊斷口存在明顯的微裂紋,且裂紋沿晶界延伸,說明晶界處存在的網(wǎng)狀碳化物嚴(yán)重惡化了試驗鋼的韌性,屬于脆性斷裂。隨著水韌處理溫度或時間的上升,斷口的韌窩數(shù)量不斷增多,出現(xiàn)了以細(xì)小韌窩為主的韌性斷裂,這是因為水韌處理過程中,晶界處碳化物的溶解增加了晶粒間的結(jié)合力,從而提高了試驗鋼的韌性。

        3 結(jié)論

        1) 鈮微合金化高錳鋼水韌處理后的組織由鑄態(tài)的奧氏體和大量網(wǎng)狀碳化物轉(zhuǎn)化為奧氏體和少量碳化物。當(dāng)水韌處理時間為1.5 h時,隨著水韌處理溫度的升高,鑄態(tài)組織中原本的網(wǎng)狀碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀或點(diǎn)狀的碳化物,直至最終幾乎全部溶解在基體中,其強(qiáng)度和沖擊吸收能量都在1100 ℃時達(dá)到最大值。但當(dāng)溫度升高至1150 ℃時,晶粒粗化較為嚴(yán)重,強(qiáng)度和沖擊吸收能量有所下降。

        2) 當(dāng)水韌處理溫度為1100 ℃時,隨著水韌處理時間的增加,鑄態(tài)組織中的碳化物不斷溶解,在1.5 h時碳化物基本溶解在基體中,其強(qiáng)度和沖擊吸收能量達(dá)到最大值。但水韌處理時間延長至2 h時,晶粒粗化較為嚴(yán)重,嚴(yán)重影響試驗鋼的性能。

        3) 水韌處理后,試驗鋼的斷裂方式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂,當(dāng)水韌處理溫度為1100 ℃,水韌處理時間為1.5 h時,試驗鋼達(dá)到最佳的力學(xué)性能,抗拉強(qiáng)度為957.7 MPa,屈服強(qiáng)度為415.3 MPa,斷后伸長率為57.2%,沖擊吸收能量為298 J,硬度為222 HBW。

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