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        碳含量及冷卻速率對鋼件淬火殘余應力的影響

        2022-06-29 07:20:12張建偉朱鵬凱
        金屬熱處理 2022年6期
        關(guān)鍵詞:試棒心部貝氏體

        李 陽,張建偉,朱鵬凱,楊 揚

        (1.陜西法士特汽車傳動集團有限責任公司,陜西 西安 710119;

        2.西安聚能高溫合金材料科技有限公司,陜西 西安 710299)

        殘余應力是影響零件服役性能的重要因素,大多零件的失效起因是內(nèi)部殘余應力與剪切應力之和大于剪切強度而產(chǎn)生破壞[1-4]。殘余應力影響因素眾多,與材料的成分、淬透性、熱處理工藝密切相關(guān)。其主要來源是熱處理過程中熱應力和組織應力,尤其是淬火零件,由于淬火過程較大的熱應力及相變過程中的組織應力在內(nèi)部會產(chǎn)生較大的殘余應力[5-8]。本文通過試驗研究了碳含量及冷卻速率對殘余應力的影響,明確了殘余應力與碳含量及冷卻速率之間的關(guān)系,為零件設(shè)計制造過程中材料、熱處理工藝的選用提供理論指導,為失效分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

        1 試驗材料及方法

        試驗所用試樣為直徑φ12 mm、長度50 mm的試棒,其化學成分如表1所示。將表1中3種不同碳含量的試棒在箱式多用爐中920℃、碳勢值為1.2%滲碳氣氛滲碳4 h,再用2 h將爐降溫到840℃、碳勢0.85%后,保溫1 h,再在3種不同的淬火油中進行淬火,研究顯微組織、硬度分布及殘余應力的關(guān)系。淬火油均為某公司生產(chǎn),其型號、工作溫度及最大冷速典型值如表2所示。淬火后用酒精對試棒進行清洗,采用蔡司金相顯微鏡(OM)分析顯微組織、采用洛氏硬度計測試心部硬度,采用顯微硬度計在加載砝碼1 kg下保載12 s測試硬度梯度,采用X射線殘余應力分析系統(tǒng)測定其表面軸向殘余應力。心部硬度和殘余應力每組試棒測量5個點,求均值。

        表1 試棒的化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)Table 1 Chemical compositions of the tested materials(mass fraction,%)

        表2 淬火油的冷卻特性Table 2 Cooling characteristics of the quenchants

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 顯微組織

        如圖1所示為3種鋼滲碳后分別用3種不同型號的淬火油淬火冷卻后的心部顯微組織。圖1中黑白相間的組織為貝氏體,板條束狀為馬氏體。圖1(a,d)主要為貝氏體+馬氏體,貝氏體類組織占比60%及以上;圖1(b,e)組織為馬氏體+少量下貝氏體,且貝氏體含量極少,為5%~10%;圖1(c,f~i)組織為馬氏體。

        圖1 不同淬火介質(zhì)冷卻試樣心部的顯微組織Fig.1 Core microstructure of the tested steel cooled by different quenchants

        圖1中每行試樣的冷卻速率相同,從左至右試樣的碳含量增加。亞共析鋼隨著碳含量的增加,C曲線右移,馬氏體臨界冷卻速度降低,獲得馬氏體的能力增加,因此從圖1可以看出,圖1(a~c)、圖1(d~f)中馬氏體針長變短,馬氏體含量依次增加、貝氏體的含量依次減少。對于圖1(g~i),3種試棒在K2000油中均已經(jīng)淬透,因此組織均為馬氏體,其差異僅是碳含量的差異。對于每列顯微組織,從上至下其冷卻速率增加,馬氏體含量增加,馬氏體針長變短。

        2.2 心部硬度

        表3為試驗后試棒的心部硬度,可以看出,SAE 8620鋼心部硬度隨著冷卻速率的增加顯著增加,而SAE 8625和SAE 8627鋼在不同淬火油中的心部硬度差異不大,據(jù)圖1可知,這兩種材料在3種淬火油中均已經(jīng)淬透成馬氏體組織,因此硬度接近。

        表3 不同淬火介質(zhì)冷卻后試驗鋼的心部硬度(HRC)Table 3 Core hardness of the tested steels cooled by different quenchants(HRC)

        SAE 8627鋼和SAE 8625鋼的心部硬度顯著高于SAE 8620鋼,對于3種材料,在K2000油中均已經(jīng)淬透的情況下,SAE 8627鋼的心部硬度比SAE 8625鋼和SAE 8620鋼分別高2.6 HRC和10 HRC,其差異與碳含量的差異成近似正比,這表明心部硬度與碳含量有近似線性關(guān)系。

        在MT355油中淬火,SAE 8627鋼的心部硬度比SAE 8620鋼高18 HRC,G油中相差13.8 HRC,K2000油中兩種材料相差10 HRC,該結(jié)果表明,不同碳含量的材料隨著冷卻速率的增加,碳含量導致的心部硬度的差異減小。

        2.3 硬度梯度

        硬度梯度分布如圖2所示,3種鋼滲碳后表面硬度接近,均在800~840 HV。隨著冷卻速率和碳含量的增加,同位置的顯微硬度有所增加。SAE 8620鋼在距離表面3.5 mm處硬度趨于穩(wěn)定,接近心部硬度;而SAE 8625鋼和SAE 8627鋼在距離表面2.5 mm處硬度與心部接近。

        圖2 不同淬火介質(zhì)冷卻后SAE 8620(a)、SAE 8625(b)和SAE 8627(c)試驗鋼的硬度梯度曲線Fig.2 Hardness gradient curves of the SAE 8620(a)、SAE 8625(b)and SAE 8627(c)tested steels cooled by different quenchants

        2.4 殘余應力

        如圖3所示,表面殘余應力均為負值,即殘余壓應力,且隨著冷卻速率和碳含量的增加,殘余應力總體呈增加趨勢。對于SAE 8620鋼,隨著淬火油冷卻速率的增加,殘余應力從-530 MPa升至-450 MPa再到-280 MPa,增幅為250 MPa;對于SAE 8625鋼和SAE 8627鋼,MT355油中淬火后表面殘余應力在-350 MPa左右,在K2000油中淬火后為-200 MPa,增幅為150 MPa。SAE 8620鋼的殘余應力增幅較大,而SAE 8625和SAE 8627鋼的殘余應力增幅較小,其原因是SAE 8620鋼在MT355油中和G油中淬火時未完全淬透,心部馬氏體含量少,發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時體積膨脹量較小,對表面產(chǎn)生的殘余拉應力小,表面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的殘余壓應力釋放的少,因此最終表面殘余壓應力絕對值大;而SAE 8625鋼和SAE 8627鋼均已經(jīng)淬透,心部馬氏體多,體積膨脹量高,對表面產(chǎn)生的拉應力較大,導致在淬火初期表面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的殘余壓應力釋放的多,因此最終表面殘余壓應力絕對值小[9]。且心部的非馬氏體類型組織的含量越高,最終表面殘留的殘余壓應力絕對值越高。

        圖3 不同淬火介質(zhì)冷卻后試驗鋼的表面殘余應力Fig.3 Surface residual stress of the tested steel cooled by different quenchants

        SAE 8625鋼和SAE 8627鋼在MT355油、G油和K2000油中均已經(jīng)淬透,心部組織均為馬氏體組織,但在MT355油和G油淬火表面殘余應力值在-350 MPa左右,而在K2000油淬火表面殘余壓應力顯著升高,在-200 MPa左右,組織接近而殘余應力之間存在顯著差異,其原因是:在淬火初期由于溫度降低表面快速冷卻收縮,因受心部阻礙產(chǎn)生拉應力,K2000工作溫度低且冷卻速度快,心部對表面產(chǎn)生拉應力較大,導致表面馬氏體轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的壓應力與心部對表面的拉應力疊加后表面的壓應力的絕對值較??;而在MT355油中和G油中淬火時,兩種淬火油溫均較高,冷卻速率慢,初期表面冷卻收縮小,心部對表面收縮產(chǎn)生的阻礙小,即拉應力較小,疊加后表面的殘余壓應力絕對值大[10]。另一方面,在K2000油中淬火時心部轉(zhuǎn)變的速度快,表面和心部轉(zhuǎn)變的時間差小,表面相變塑性大,表面的殘余壓應力釋放得多,因此最終表面的殘余壓應力絕對值小;在MT355油和G油中淬火,心部組織轉(zhuǎn)變相對較慢,組織轉(zhuǎn)變時間差大,表面相變塑性相對較小,殘余壓應力釋放得少,因此殘余的表面壓應力較大。

        3 結(jié)論

        對于直徑為φ12 mm、長度為50 mm的SAE8620、SAE8625、SAE8627鋼試棒,滲碳淬火有以下規(guī)律:

        1)滲碳淬火后表面的殘余應力均為負值,即殘余壓應力,為-600~-200 MPa。

        2)冷卻速率相同時碳含量越高,淬火后心部組織中馬氏體的含量越高,心部硬度越高,表面殘余壓應力值越小。

        3)碳含量相同時冷卻速率越快,淬火后心部組織中馬氏體的含量越高,心部硬度越高,表面殘余壓應力絕對值越小。

        4)同種材料的試樣熱處理后表面硬度和心部硬度相同時,冷卻速率快試樣的表面殘余壓應力絕對值小。

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