張燕呢,閔永安,陳 榮

(1.上海大學材料科學與工程學院,省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,上海 200444;2.上海匯眾汽車制造有限公司,上海 201206)

0 引 言

為滿足輕量化要求,管狀扭力梁被廣泛應用于汽車后懸架系統(tǒng)[1-2]。管狀扭力梁服役過程中需承受復雜的彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷作用,應具備良好的強韌性和疲勞穩(wěn)定性[3-4]。CP(復相)鋼或DP(雙相)鋼管狀扭力梁抗拉強度為500～800 MPa,熱成形22MnB5鋼管狀扭力梁抗拉強度可達1 500 MPa[5]。然而,22MnB5鋼管狀扭力梁的疲勞壽命離散度較大,最高可達20萬次,而最低疲勞壽命不足5萬次。此外,高強鋼成形范圍窄,用于制造形狀復雜的管狀扭力梁時,各部位變形不均勻易產(chǎn)生應力集中,使得零件塑韌性降低[6]。22MnB5鋼管狀扭力梁的制造工藝通常為沖壓成形,隨后進行淬火和低溫回火。淬火態(tài)22MnB5鋼的抗拉強度可達1 500 MPa,斷后伸長率在5%～7%,低溫回火后其內(nèi)應力部分釋放,而塑韌性相對不足,疲勞可靠性下降[7]。通過優(yōu)化熱處理工藝來改善零件組織結(jié)構(gòu)和表面應力狀態(tài),是提高零件疲勞性能的常用方法[8-10]。噴丸處理可向管狀扭力梁表面引入殘余壓應力,從而有效抑制疲勞裂紋擴展,提高疲勞性能[9-10]。研究[11-13]表明,22MnB5鋼經(jīng)400 ℃回火后由于基體回復和碳化物析出,淬火應力顯著降低,韌性顯著提升。徐沛瑤等[14]研究發(fā)現(xiàn),沖壓成形CP800鋼扭力梁去應力退火后,由于基體回復與沉淀強化的共同作用,強塑性顯著提高,同時表面殘余應力大幅降低,疲勞壽命延長至未退火態(tài)的1.5倍。另外,軸類零件相關(guān)研究[15]也表明,中溫或高溫回火有助于釋放零件的淬火內(nèi)應力,改善零件的疲勞開裂問題。

然而,目前對于回火溫度對扭力梁疲勞性能影響的研究較少。為此,作者對淬火態(tài)22MnB5鋼管狀扭力梁進行不同溫度(220,350,400,450,500 ℃)的回火處理,研究了回火溫度對扭力梁疲勞性能的影響,以期為降低零件殘余應力并改善其強韌性,提高扭力梁零件的疲勞壽命及穩(wěn)定性提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為直徑80 mm、壁厚3.5 mm的22MnB5鋼管,由國內(nèi)某鋼廠開發(fā),其化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為0.23C,0.25Si,1.35Mn,0.05Al,0.14Cr,0.007Mo,0.008Ni,0.012P,0.002B,0.001S。將鋼管通過冷成形制成管狀扭力梁,在淬火機床上進行(960±30) ℃感應淬火,隨后在保護氣氛爐中(保護氣體為氬氣)進行回火處理,回火溫度分別為220,350,400,450,500 ℃,保溫時間為30 min,空冷至室溫。

在回火后試驗鋼上切取尺寸為10 mm×6 mm×3.5 mm的金相試樣,經(jīng)研磨、拋光、體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后,采用ZEISS SIGMA 300型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織。采用MH-3型全自動顯微硬度計測試維氏硬度,載荷為2.94 N,保載時間為10 s。根據(jù)GB/T 228.1—2010,采用線切割法制取標距尺寸為50 mm×12.5 mm的拉伸試樣,如圖1(a)所示,采用MTSC45.305型萬能電子試驗機進行拉伸試驗,拉伸速度為3 mm·min-1。參考GB/T 229—2007,制取尺寸為55.0 mm×10.0 mm×3.5 mm的V2型缺口非標沖擊試樣,尺寸如圖1(b)所示,采用PTMS4600型擺錘式?jīng)_擊試驗機進行沖擊試驗,試驗溫度分別為室溫,0,-30 ℃。

圖1 拉伸試樣和沖擊試樣的尺寸Fig.1 Size of tensile sample (a) and impact sample (b)

扭力梁總成如圖2(a)所示,包括扭力梁、左右縱臂、套筒、輪轂支架和彈簧盤[16]。根據(jù)扭力梁抗拉強度要求(不低于1 000 MPa),選取350,400,450 ℃回火扭力梁總成(各6組),采用自制扭力梁臺架進行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗,選取220,500 ℃下回火扭力梁總成(各2組)進行對比研究。扭轉(zhuǎn)疲勞試驗時,在扭力梁兩端分別加載相位差為180°的正弦波力,位移幅為50 mm,頻率為2 Hz,當扭力梁表面裂紋長度大于20 mm時停止試驗并判定失效?；谄谠囼灲Y(jié)果,選取淬火態(tài)、220 ℃回火、450 ℃回火扭力梁靠近兩端的薄弱區(qū)域(段Ⅰ和段Ⅱ)進行應力分析,該區(qū)域截面呈空心V型,如圖2(b)所示。根據(jù)GB/T 7704—2017,采用X350-A型X射線應力測定儀測試段I和段II區(qū)域底部外表面(A)、外側(cè)平整小應變區(qū)(B)、上部R角處(C和D)4個部位的表面殘余應力,每點測3次取平均值,殘余應力測試誤差為±20 MPa,準直管直徑為2 mm,應力常數(shù)K為318 MPa,電壓為20 kV,電流為5 mA。

圖2 扭力梁總成及段Ⅰ、段Ⅱ截面形狀Fig.2 Torsion beam assembly (a) and shape of section I and section II (b)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖3可知:220 ℃回火試驗鋼組織為回火馬氏體,板條結(jié)構(gòu)清晰可見,板條間析出少量碳化物,原奧氏體晶粒平均尺寸約為8 μm;350 ℃回火后馬氏體分解程度增加,板條間界面處析出大量白色顆粒狀碳化物;400 ℃回火后更多碳化物開始在晶內(nèi)析出;450 ℃回火后碳化物聚集長大,明顯球化,馬氏體板條界面變得模糊;當回火溫度升高至500 ℃時,大部分馬氏體已經(jīng)分解,板條特征逐漸消失,晶粒內(nèi)部變得平滑。

圖3 不同溫度回火后22MnB5鋼扭力梁的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at different temperatures: (a-e) at low magnification and (f-g) at high magnification

2.2 力學性能

由表1可知:隨著回火溫度升高,扭力梁的抗拉強度降低,斷后伸長率增加,當回火溫度為500 ℃時抗拉強度已低于最低抗拉強度1 000 MPa的設計要求;350 ℃回火后扭力梁的強塑積僅約為9.9 GPa·%,這是因為鋼中碳化物沿晶界析出增強了脆性,導致強度較高而韌性不足;450 ℃回火后扭力梁獲得12.3 GPa·%的高強塑積,高于傳統(tǒng)22MnB5鋼的強塑積(9.0～11.0 GPa·%)[12],這是因為馬氏體基體回復以及碳化物球化,使得基體塑性顯著改善;500 ℃回火后扭力梁強塑積降低,盡管此時斷后伸長率高,但由于基體顯著軟化,抗拉強度很低。

表1 不同溫度下回火后22MnB5鋼扭力梁的拉伸性能Table 1 Tensile properties of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at different temperatures

由圖4可知:220 ℃回火試驗鋼的顯微硬度為430 HV,沖擊吸收功約為84.3 J·cm-2;350 ℃回火后試驗鋼硬度下降,但沖擊性能沒有出現(xiàn)明顯變化;450 ℃回火時由于基體軟化,試驗鋼硬度明顯降低至312 HV,沖擊吸收功顯著升高至106.9 J·cm-2;當沖擊試驗溫度降低至0,-30 ℃時,試驗鋼的沖擊吸收功未明顯降低,差異在±11 J·cm-2之內(nèi),表明22MnB5鋼具有較低的低溫沖擊敏感性。

圖4 不同溫度回火后22MnB5鋼扭力梁的硬度和不同試驗溫度下的沖擊吸收功Fig.4 Hardness (a) and impact absorbing energy under different test temperatures (b) of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at different temperatures

2.3 殘余應力

由圖5可知:淬火態(tài)扭力梁的段I和段II區(qū)域表面整體呈現(xiàn)較高水平的拉應力,最大約為250 MPa,除了段II的D點為-225 MPa的壓應力,這可能與其周圍材料協(xié)同變形差異有關(guān);220 ℃回火后扭力梁表面應力有所釋放,降至-80～150 MPa;450 ℃回火后扭力梁表面的應力水平顯著降低,壓應力最高達-120 MPa,拉應力最高約為25 MPa。扭力梁段I和段II區(qū)域A、C、D處為大應變位置,由于其塑性變形大且材料間變形嚴重不協(xié)調(diào),其拉應力在回火溫度為450 ℃時才顯著降低;B處為小應變位置,不同溫度回火后均轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?應力狀態(tài)較好。

圖5 淬火態(tài)和不同溫度回火后22MnB5鋼扭力梁表面的殘余應力 Fig.5 Residual stresses on surface of 22MnB5 steel torsion beam after quenching or tempering at different temperatures: (a) section I and (b) section II

2.4 疲勞性能

管狀扭力梁疲勞開裂位置多位于距離邊部325～360 mm的R角處(如圖6所示),裂紋方向平行于軸向,沿扭力梁直線延伸,長度為20～150 mm,說明該區(qū)域為扭力梁疲勞的薄弱位置。

圖6 220 ℃回火后22MnB5鋼扭力梁疲勞開裂位置示意Fig.6 Schematic of failure position of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at 220 ℃

由圖7可知,350 ℃回火后扭力梁的平均疲勞壽命為(11.5±1.0)萬次,400,450 ℃回火后的疲勞壽命穩(wěn)定且離散度較小,分別為(10.3±2.4),(15.8±2.4)萬次;220 ℃下回火后2組試樣疲勞壽命分別為10.9萬次和18.4萬次;500 ℃下回火后疲勞性能顯著惡化,2組試樣疲勞壽命僅為6.4萬次和9.7萬次。回火溫度由220 ℃升至400 ℃,扭力梁疲勞壽命逐步下降,450 ℃回火后扭力梁的疲勞壽命最長,500 ℃回火后疲勞壽命又下降。

圖7 不同溫度回火后22MnB5鋼扭力梁的疲勞壽命Fig.7 Fatigue life of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at different temperatures

扭力梁的疲勞行為與其顯微組織和殘余應力密切相關(guān):高強度的馬氏體組織以及淬火引入的局部高水平拉應力會顯著增加疲勞開裂的風險[8]。常規(guī)熱處理22MnB5鋼的晶粒尺寸一般為12 μm[17],感應淬火熱處理22MnB5鋼的晶粒細化,尺寸約為8 μm。在扭轉(zhuǎn)疲勞試驗中,均勻細晶具備更強的協(xié)同變形能力,可有效避免局部應力集中。

馬氏體板條界面更容易在切應力作用下成為裂紋萌生的薄弱位置[18]。450 ℃回火后22MnB5鋼扭力梁馬氏體分解加劇,板條界面合并減少,裂紋萌生概率降低,并且由于基體軟化和回火碳化物球化,馬氏體基體產(chǎn)生應力松弛[19];此外,由于450 ℃回火后扭力梁大應變部位的表面殘余應力顯著降低,且各部位應力分布均勻,因此扭力梁局部早期開裂風險顯著降低,疲勞壽命穩(wěn)定性增加。而220 ℃回火后22MnB5鋼扭力梁中大量馬氏體邊界使其保持較高的強度而塑性不足,在切應力作用下容易萌生裂紋[20];并且此時大應變部分整體呈現(xiàn)較高水平的拉應力,故其疲勞試驗結(jié)果較為離散。500 ℃回火后扭力梁疲勞壽命顯著惡化則主要是由于基體軟化,強度不足而引起的。

3 結(jié) 論

(1) 隨著回火溫度從350 ℃升至500 ℃,22MnB5鋼扭力梁的抗拉強度降低,斷后伸長率增加,強塑積先增大后減小,在回火溫度450 ℃下達到最大,為12.3 GPa·%。隨著回火溫度升高,22MnB5鋼扭力梁顯微硬度減小,沖擊吸收力增大。隨著回火溫度由220 ℃升至500 ℃,22MnB5鋼扭力梁中的回火馬氏體分解,板條特征逐漸消失,板條間界面處析出的碳化物數(shù)量增多并發(fā)生明顯球化。

(2) 淬火態(tài)扭力梁表面整體呈現(xiàn)較高水平拉應力,回火后殘余應力下降,且回火溫度越高,下降程度越大。隨回火溫度升高,扭力梁疲勞壽命呈先下降后增再降的變化趨勢,450 ℃回火疲勞壽命最長,達(15.8±2.4)萬次。

(3) 22MnB5鋼扭力梁的最佳回火溫度為450 ℃,此時鋼中馬氏體明顯分解,碳化物彌散析出,強塑積最大,殘余應力釋放充分,疲勞壽命最長。