鉻鉬合金化對高錳鋼疲勞性能的影響

王 輝,譚小東,劉興剛,田學鋒,陳曉剛,田 鋒,張國志

(1.東北大學 材料與冶金學院,沈陽 110004;2.鐵嶺閥門 (集團)特種閥門有限責任公司 遼寧 鐵嶺 112616)

鉻鉬合金化對高錳鋼疲勞性能的影響

王 輝1,譚小東1,劉興剛1,田學鋒1,陳曉剛2,田 鋒2,張國志1

(1.東北大學 材料與冶金學院,沈陽 110004;2.鐵嶺閥門 (集團)特種閥門有限責任公司 遼寧 鐵嶺 112616)

研究了鉻鉬合金化對高錳鋼疲勞和耐磨性能的影響.旋轉彎曲疲勞試驗和疲勞斷口分析結果表明,鉻鉬合金化后,高錳鋼的抗拉強度和屈服強度都有所提高,而延伸率、沖擊韌性和疲勞極限降低.在低循環應力條件下,Cr和Mo的質量分數分別為 0.57%和 0.34%的高錳鋼的疲勞性能低于普通高錳鋼,主要是彌散點狀碳化物容易引發內部疲勞源,加快疲勞失效過程.

高錳鋼;鉻鉬合金化;疲勞性能;S-N曲線;磨料磨損

高錳鋼作為傳統的耐磨材料已得到廣泛應用,幾乎被視為萬能耐磨材料[1,2].但在坦克履帶板的服役中,發現高錳鋼履帶板極易產生裂紋,耐磨性差,其主要原因是坦克履帶板受到的沖擊較小,高錳鋼得不到充分的加工硬化,因而強度和硬度低[3].為了提高高錳鋼的強度和硬度,改善高錳鋼的耐磨性能,在高錳鋼中加入鉻和鉬進行合金化.相關資料顯示[4～6],加入鉻鉬合金化后,高錳鋼的強度確實提高,裂紋萌生門檻功會上升,裂紋數量減少,耐磨性提高.但鉻鉬合金化履帶板使用過程中出現斷裂[7].疲勞性能是履帶板的重要性能指標,有必要研究合金化對高錳鋼疲勞性能的影響.因此,參照國內某廠生產的高錳鋼履帶板化學成分,在高錳鋼中添加少量鉻和鉬,通過金相組織觀察和旋轉彎曲疲勞斷口分析,研究合金化對高錳鋼疲勞性能和低應力磨料磨損性能的影響[8,9].

1 試驗方法

1.1 試驗鋼的熔煉及熱處理

采用 500 kg中頻感應電爐熔煉鋼水,澆注成Y型試樣.兩種高錳鋼的化學成分見表 1,表中合金化高錳鋼的化學成分是參照國內某履帶板生產廠目前使用的高錳鋼履帶板成分設計的.從 Y型試樣上切割試塊,進行水韌處理.奧氏體化溫度為1 100℃,保溫 2 h,水淬.經線切割后,加工成機械性能試棒和旋轉彎曲疲勞試樣.

表1 高錳鋼的化學成分 (質量分數)Table 1 The composit ion of test steels(mass fraction) %

1.2 鋼的力學性能測試

在WJ-30萬能材料試驗機上進行拉伸性能測試,試樣尺寸根據 GB/T 1348-1988制備,拉伸速率為 5 mm/min;在 JBW-500型擺錘式沖擊試驗機上做沖擊試驗,試樣尺寸為 55 mm×10 mm×10 mm,帶 U型缺口,沖擊支點間距為 40 mm.

1.3 旋轉彎曲疲勞試驗方法

選擇旋轉彎曲疲勞試驗模擬履帶板的疲勞失效過程,參照 GB4337-84金屬旋轉彎曲疲勞試驗方法,在 PQ1-6純彎曲疲勞試驗機上進行旋轉彎曲疲勞試驗.規定循環周次 N=1×107所對應的應力為疲勞強度極限.試驗機轉速為5 000 r/min,應力比 R=-1.光滑圓柱形標準試樣的尺寸見圖 1.試樣設置方式為橫梁式,兩點加載.

圖1 圓柱形標準疲勞試樣Fig.1 Cylindrical standard fatigue spec imen

在試樣中部測量 3點直徑,取最小值作為應力最大處直徑 d(測量精度不應低于 0.01 mm).先取抗拉強度的一半作為疲勞極限估算值,應力增量Δ σ一般取疲勞極限估算值的 3%～5%.在高應力區選擇較大的Δ σ值,在疲勞極限附近選擇較小的Δ σ值.第一根試樣選擇在高于疲勞極限值的應力下開始,若第一根試樣在達到規定循環周次以前破壞,則下一根試樣的應力降低一個Δ σ.若第一根試樣在達到規定循環周次時未破壞,則下一根試樣的試驗應力增加一個Δ σ.按此方法,直至得到一組有效數據為止.若有一根試樣達到規定循環周次時未斷裂,則疲勞極限等于此應力和比它高一級應力的平均值;若試樣在達到規定循環周次以前破壞,則疲勞極限等于此應力與比其低一級的試樣不破壞應力值的平均值.為了提高疲勞極限的可靠度,測定疲勞極限時應當有兩根以上試樣達到規定循環周次不破壞[5].應力載荷是利用砝碼單點加載形式,載荷 P(單位:N)與應力 σ (單位:MPa)間遵循 P=kd3σ,其中k=0.001 636.

1.4 疲勞斷口形貌及微觀組織觀察

用數碼相機拍攝疲勞斷口宏觀形貌,用 SSX-550型掃描電子顯微鏡,觀察疲勞斷口微觀形貌;用 OLY MPUS GX51金相顯微鏡觀察試驗鋼熱處理后的金相組織.

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

兩種高錳鋼熱處理后的力學性能見表 2.

表2 鋼的力學性能Table 2 The mechanicalproperties of the high Mn steels

由表 2可見,鉻鉬合金化高錳鋼的抗拉強度和屈服強度都較普通高錳鋼有所提高,而鉻鉬合金化高錳鋼的延伸率和沖擊韌性比普通高錳鋼低.

2.2 旋轉彎曲疲勞試驗結果

兩種高錳鋼的彎曲疲勞試驗數據見表 3和表 4.圖 2是根據旋轉彎曲疲勞試驗數據繪制的 S-N曲線.隨著循環應力的減小,疲勞壽命逐漸上升.當循環應力減小到 250MPa時,普通高錳鋼 SN曲線出現平臺.由表 3可見,循環應力為 275 MPa的 5個試樣中只有 2個試樣的循環周次達到 107未斷裂.循環應力為 250 MPa的 2個試樣的循環周次均達到 107未斷裂.取兩者平均得出普通高錳鋼的疲勞極限為 260 MPa.當循環應力減小到245 MPa左右時,合金化高錳鋼 S-N曲線出現平臺.由表 4可見,循環應力為 240 MPa,兩個試樣的循環周次均達到 107未斷裂.循環應力為250 MPa的 3個試樣,均在循環周次為 106時斷裂,取合金化高錳鋼的疲勞極限為 245 MPa.可見合金化高錳鋼的疲勞極限比普通高錳鋼的疲勞極限低.循環應力為 350MPa時,兩種高錳鋼疲勞壽命幾乎相同.可見,在低應力疲勞條件下,鉻鉬合金化高錳鋼疲勞性能低于普通高錳鋼.

表3 普通高錳鋼旋轉彎曲疲勞試驗數據Table 3 Exper imental data of the traditional high Mn steel in rotary bending fatigue testing

表4 合金化高錳鋼旋轉彎曲疲勞試驗數據Table 4 Exper im ental data of the alloying high Mn steel in rotary bending fatigue testing

2.3 疲勞斷口分析

圖3為兩種高錳鋼旋轉彎曲疲勞斷口掃描電鏡照片.疲勞裂紋萌生都集中在試樣表層和亞表層,裂紋源處有夾雜物,斷口有明顯的疲勞裂紋源區和裂紋擴展區,因疲勞裂紋萌生和擴展是反復擠壓摩擦的過程,疲勞壽命大部分消耗在裂紋擴展區.圖 3(a)是普通高錳鋼斷口,可以看出,其裂紋源區明顯比合金化高錳鋼疲勞裂紋源區小,這表明普通高錳鋼的疲勞性能比合金化高錳鋼的疲勞性能好,裂紋萌生比較晚.斷口上都存在大量河流花樣,表明兩種高錳鋼的斷裂方式均屬穿晶脆性斷裂.

兩種高錳鋼疲勞斷口的疲勞裂紋擴展區和疲勞裂紋瞬間斷裂區也有很大區別.圖 4(a)和 (b)分別是普通高錳鋼和合金化高錳鋼的疲勞裂紋擴展區,雖然普通高錳鋼所受的循環應力比合金化高錳鋼的循環應力高,但普通高錳鋼疲勞裂紋擴展區中的疲勞輝紋比合金化高錳鋼更均勻,裂紋間距更小,說明普通高錳鋼在疲勞失效過程中裂紋擴展階段比合金化高錳鋼更長,普通高錳鋼的疲勞性能比合金化高錳鋼的疲勞性能好.

圖4 疲勞斷口裂紋擴展區形貌Fig.4 The mo rphology of fatigue extended area

對于疲勞裂紋瞬間斷裂區 (見圖 5),雖然普通高錳鋼所受的循環應力整體比合金化高錳鋼所受的循環應力高,但合金化高錳鋼疲勞裂紋瞬間斷裂區內的河流花樣 (圖 5(a))比普通高錳鋼(圖 5(b))更大,更具方向性,這表明合金化高錳鋼的最終斷裂比普通高錳鋼更加劇烈和迅速.這與合金化高錳鋼沖擊韌性低于普通高錳鋼的結果一致,也解釋了相同循環應力下普通高錳鋼的疲勞壽命比合金化高錳鋼長的原因.綜上可知,普通高錳鋼疲勞過程比合金化高錳鋼更長,更穩定,鉻鉬合金化使高錳鋼疲勞性能下降,這與 S-N曲線一致.

2.4 微觀組織

圖6(a)是普通高錳鋼水韌處理后的金相組織,為單相奧氏體組織;鉻鉬合金化高錳鋼經水韌處理后,在奧氏體晶粒內部有少量彌散點狀碳化物,見圖 6(b),彌散點狀碳化物存在于奧氏體晶粒內部起強化基體的作用,強度有所提高.但是碳化物與基體之間由于硬度強度不同,碳化物與基體界面處容易形成裂紋源,使得鉻鉬合金化高錳鋼的沖擊韌性和疲勞性能下降.

3 結 論

(1)鉻鉬合金化后,高錳鋼的屈服強度和抗拉強度提高,延伸率和沖擊韌性都有降低.

(2)低循環應力情況下,合金化高錳鋼的疲勞性能比普通高錳鋼低,主要是因為加入鉻鉬后形成的點狀碳化物成為疲勞裂紋源,加快了疲勞失效過程.

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Effects of Cr andMoon fatigue property of ZGMn13

W AN G H ui1,TAN X iao-dong1,LIU Xing-gang1,TIAN Xue-feng1,CH EN X iao-gang2,TIAN Feng2,ZHAN G Gui-zhi1

(1.School ofMaterials and Metallurgy,N ortheastern U niversity,Shenyang 110004,China;2. Tieling SpecialValve Co.Ltd.,Tieling 112616,China)

The effects of C r-M o alloying on the fatigue and w ear-resistant properties of ZGM n13 w ere researched,the results of rotary bending fatigue testing and abrasive w ear testing show that the strength and hardness of the high m anganese steel increase by addition of C r-M o,and the w ear-resistant properties of the high m anganese steelw ith C r-M o is better than that of the high m anganese steelw ithout C r-M o.But the toughness and fatigue property of the high m anganese steelw ith C r-M o is low er than that of the high m anganese steelw ithout C r-M o.The reason is that the dispersed carbides of C r andM o form ed in the boundary could induce crack initiation.In the case of low cyclic stress,the fatigue perform ance of the high m anganese steel w ith 0.57%C r-0.341%M o is not as good as the traditional high m anganese steel.

ZGM n13;C r-M o alloying;fatigue property;S-N curve;w ear resistance

TG146.2

A

1671-6620(2010)04-0245-05

2010-08-13.

軍工十一五預研項目.

王輝 (1985—),男,遼寧錦州人,東北大學碩士研究生;張國志 (1953—),男,遼寧阜新人,東北大學教授.

劉興剛 (1967—),男,甘肅會寧人,東北大學講師,E-mail:liuxinggang@smm.neu.edu.cn.