淬火-碳分配-回火工藝對(duì)中碳貝氏體鋼應(yīng)變硬化行為的影響

李萬東

(河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 承德 067000)

變形處理、合金元素及熱處理工藝等因素對(duì)合金鋼力學(xué)性能有較大影響，研究合金鋼拉伸變形過程對(duì)提高鋼的性能具有重要意義。拉伸試驗(yàn)過程，為了表征材料屈服滑移后要繼續(xù)發(fā)生應(yīng)變必須增加應(yīng)力，這一階段材料抵抗變形的能力得到提高，這一物理現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化。應(yīng)變硬化指數(shù)n反映了金屬材料抵抗均勻塑性變形的能力，是表征金屬材料應(yīng)變硬化行為的性能指標(biāo)，表征了材料的應(yīng)變硬化特點(diǎn)和程度，是通過拉伸數(shù)據(jù)處理后得到的重要性能參數(shù)[1]。

應(yīng)變硬化指數(shù)(n)的測(cè)定方法包含最大載荷法、兩點(diǎn)法、四點(diǎn)法等[2]，實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)有一定的偏差，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定[3]，只能通過多次測(cè)得，定性分析。研究發(fā)現(xiàn)，熱處理工藝對(duì)彈簧鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)的影響比較明顯，回火處理明顯影響了彈簧鋼的強(qiáng)度、硬度、塑性和應(yīng)變硬化性能，證明淬火-回火處理可以得到冷卷成形性能優(yōu)異的60Si2CrVAT彈簧鋼[4]。除熱處理外，應(yīng)變硬化指數(shù)還與試驗(yàn)鋼成分、變形條件、拉伸速率等因素有關(guān)，如對(duì)于Ti-6Al-4V鋼材，變形通過改變晶粒和第二相尺寸來影響應(yīng)變硬化指數(shù)值[5]。近年來，淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工藝成為研究鋼材料的熱點(diǎn)，主要通過Q-P工藝來改善試驗(yàn)鋼的強(qiáng)韌性，已經(jīng)取得了明顯的效果[6-7]。目前，主要通過強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、強(qiáng)度積等參數(shù)來衡量試驗(yàn)鋼的強(qiáng)韌性，而對(duì)應(yīng)變硬化指數(shù)關(guān)注的比較少，而應(yīng)變硬化指數(shù)是衡量試驗(yàn)材料抗偶然過載能力的重要指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)鋼的安全使用具有重要工程意義。有必要通過拉伸試驗(yàn)和理論計(jì)算，分析不同熱處理工藝，尤其是淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工藝對(duì)中碳貝氏體鋼的應(yīng)變硬化行為的影響，為中碳貝氏體鋼在工程中的進(jìn)一步應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料及方法

根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)用鋼的設(shè)計(jì)成分，計(jì)算出相應(yīng)的燒損質(zhì)量，然后進(jìn)行配料，采用真空熔煉法，盡量保證真空氣氛，同時(shí)保證P、S含量小于0.03%。高溫熔煉成鑄錠。將鑄錠隨爐加熱到1 200 ℃，保溫2-3小時(shí)，進(jìn)行鍛造，終鍛溫度為900-950 ℃，鍛后緩慢冷卻。

表1 試驗(yàn)用鋼成分(wt%)

將試驗(yàn)鋼加工成拉伸試樣和10 mm×10 mm×10 mm小樣，分組進(jìn)行淬火處理、回火處理及淬火-碳分配-回火處理，其中淬火及回火處理均在SX2-5-12 型箱式電阻爐中進(jìn)行，碳分配試驗(yàn)在鹽浴鍋中進(jìn)行。待爐膛溫度升至820 ℃放入試樣，繼續(xù)升溫至900 ℃，保溫20 min，分別進(jìn)行油冷和空冷，冷卻后進(jìn)行230 ℃回火處理，得到空冷和油冷淬火試樣；回火處理是將空冷試樣在230 ℃保溫2小時(shí)，然后迅速在不同溫度點(diǎn)保溫2小時(shí)冷卻至室溫；淬火-碳分配-回火(Q-P-T)處理是將奧體化后(900 ℃)的試樣空冷至220 ℃，于220 ℃鹽浴爐中淬火，保溫5 min(例：220 ℃鹽浴碳分配保溫時(shí)間5 min簡(jiǎn)寫為220 ℃-5 min)，然后分別在220 ℃和350 ℃進(jìn)行碳分配，不同碳分配時(shí)間設(shè)定為5 min、15 min、30 min。冷卻后進(jìn)行回火處理，回火溫度為230 ℃保溫2小時(shí)，空冷至室溫。

利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣尺寸為長(zhǎng)25 mm，寬6 mm，厚4 mm的板狀試樣(具體如圖1所示)，拉伸速率設(shè)定為2 mm/min，拉伸前注意進(jìn)行試樣表面打磨，去掉試樣表面的氧化層。利用拉伸數(shù)據(jù)計(jì)算得出應(yīng)變硬化指數(shù)(n)，具體方法為：

圖1 拉伸試樣尺寸圖(單位：mm)

根據(jù)真應(yīng)力和真應(yīng)變符合Hollomon關(guān)系式[1]：

S=Ken

(1)

式(1)中：S為真實(shí)應(yīng)力(單位：MPa)；K為硬化指數(shù)，n為應(yīng)變硬化指數(shù)；e為真實(shí)應(yīng)變(單位：%)；

S=(1+ε)σ

(2)

式(2)中：σ為工程應(yīng)力(單位：MPa)；ε為工程應(yīng)變(單位：%)；

e=ln(1+ε)

(3)

由公式(1)得出：

(4)

eB=n

(5)

公式(5)中：eB為試樣頸縮時(shí)的真實(shí)應(yīng)變(單位：%)。

圖2 截線法測(cè)應(yīng)變硬化指數(shù)(n)圖

顯微組織觀察利用4%硝酸酒精溶液腐蝕，腐蝕時(shí)間大約8s左右，腐蝕完畢立即用酒精和清水沖洗表面；放在掃描電子顯微鏡上觀察不同熱處理試驗(yàn)鋼的顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由實(shí)驗(yàn)測(cè)得拉伸數(shù)據(jù)，通過公式(1)-(5)計(jì)算出dlnS/dlne與真應(yīng)變e，利用截點(diǎn)法找出應(yīng)變硬化指數(shù)n，具體如表2所列。由表2和圖3-圖4對(duì)比可以看出：(1)試驗(yàn)鋼的結(jié)果表明，拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)n與拉伸的斷后伸長(zhǎng)率呈正比關(guān)系，與C.J.Tang等人對(duì)Fe-0.04C-0.22Si-1.75Mn試驗(yàn)鋼的研究結(jié)果一致，應(yīng)變硬化指數(shù)越大，試驗(yàn)鋼的均勻塑性變形能力和抗偶然過載能力越高[1]。由公式(4)與(5)綜合可以得出eB=n=dlnS/dlne。對(duì)于n值大的材料，應(yīng)變硬化效應(yīng)高，變形均勻，減少變薄和增大極限變形程度，不易產(chǎn)生裂紋。(2)隨著回火處理的進(jìn)行，試驗(yàn)鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)和塑性發(fā)生變化，整體趨勢(shì)為隨著回火溫度的升高，應(yīng)變硬化指數(shù)變大,低溫回火時(shí)，試驗(yàn)鋼的相組成為細(xì)小的板條狀馬氏體，碳化物彌散分布，使得試驗(yàn)鋼具有較高的強(qiáng)韌性[8]。但是在500 ℃左右回火發(fā)生了明顯的下降趨勢(shì)，表明試驗(yàn)鋼在該溫度回火處理下強(qiáng)度呈現(xiàn)增高趨勢(shì)，塑性呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，根據(jù)二次硬化機(jī)理分析原因可能是，馬氏體板條內(nèi)和板條界處析出大量粗大的層片狀滲碳體；殘余奧氏體發(fā)生二次淬火轉(zhuǎn)化成馬氏體組織現(xiàn)象，當(dāng)回火溫度為高于一定溫度時(shí)，板條內(nèi)析出大量均勻彌散分布的細(xì)小碳化物，起到彌散強(qiáng)化的作用[9]。強(qiáng)度較高的馬氏體組織和彌散相導(dǎo)致位錯(cuò)滑移困難，在較低的應(yīng)變下迅速積累形成裂紋。(3)經(jīng)過淬火-碳分配-回火工藝處理后，試驗(yàn)鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)與中溫回火狀態(tài)下的應(yīng)變硬化指數(shù)值相近，呈現(xiàn)規(guī)律性變化。研究表明，與單一的回火態(tài)性能相比較，通過淬火-碳分配-回火工藝處理后的中碳鋼拉伸強(qiáng)度明顯提高，塑性沒有明顯降低或有略微提高，其強(qiáng)塑積明顯高于淬火處理和回火處理后試驗(yàn)鋼的強(qiáng)塑積[10]，主要原因是合金組織有更多殘余奧氏體生成，其組織強(qiáng)度低于馬氏體組織，殘余奧氏體是一種亞穩(wěn)相，當(dāng)受到外力時(shí)會(huì)發(fā)生相變，轉(zhuǎn)為馬氏體和滲碳體組織，起到協(xié)調(diào)組織變形能力，在沒有明顯降低強(qiáng)度的條件下，有效改善了試驗(yàn)鋼的塑性和韌性[11-12]，合理的淬火-碳分配-回火工藝(350 ℃保溫30 min)處理后的應(yīng)變硬化指數(shù)達(dá)到0.1686，明顯高于其他熱處理狀態(tài)的應(yīng)變硬化指數(shù)值，證明淬火-碳分配-回火工藝有利于提高試驗(yàn)鋼的抗偶然過載能力和均勻塑性變形能力，提高其應(yīng)用安全系數(shù)。

圖3 不同回火溫度處理后試樣的n值對(duì)比

圖4 不同Q-P處理后試樣的n值對(duì)比

表2 不同熱處理?xiàng)l件處理后試驗(yàn)鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)與斷后伸長(zhǎng)率

為進(jìn)一步研究組織變化對(duì)應(yīng)變硬化指數(shù)的影響，對(duì)350 ℃回火處理后試驗(yàn)鋼和淬火-碳分配-回火工藝(350 ℃-30 min)處理后試驗(yàn)的掃描組織進(jìn)行分析，如圖5，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過淬火-碳分配-回火處理后板條組織明顯細(xì)化，因?yàn)榇慊?碳分配-回火工藝在350 ℃保溫時(shí)間僅為30 min，而回火處理時(shí)間為2小時(shí)；同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，有微量的殘余奧氏體組織出現(xiàn)在Q-P-T處理后的試驗(yàn)鋼組織中。研究表明，拉伸變形過程中，粗大的塊狀馬氏體的應(yīng)變硬化能力低于細(xì)小的針狀馬氏體的應(yīng)變硬化能力[13]，即應(yīng)變硬化指數(shù)n隨著馬氏體板條的細(xì)化呈現(xiàn)下降的規(guī)律。拉伸變形過程發(fā)生位錯(cuò)滑移，細(xì)化的板條組織使得位錯(cuò)堆積較少，且容易繞過細(xì)小的板條組織，粗大的板條組織則使大量位錯(cuò)快速累積，裂紋形成容易，導(dǎo)致失效。所以淬火-碳分配-回火工藝處理后試驗(yàn)鋼的組織更利于均勻變形，具有較高的塑性和韌性。

圖5 (a)350 ℃回火處理后試驗(yàn)鋼顯微組織，(b)Q-P-T工藝(350 ℃-30 min)處理后試驗(yàn)鋼顯微組織

3 結(jié)論

通過研究不同熱處理工藝(淬火、回火、淬火-碳分配-回火)對(duì)試驗(yàn)鋼的應(yīng)變硬化行為的影響發(fā)現(xiàn)：

(1)與淬火處理相比，淬火-回火處理后，試驗(yàn)鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)n值增加，且隨著回火溫度升高，n值呈增高趨勢(shì)，當(dāng)回火溫度高于500 ℃后n值不再升高；

(2)淬火-碳分配-回火工藝處理后試驗(yàn)鋼的組織更利于均勻變形，具有較高的塑性和韌性。經(jīng)過淬火-碳分配-回火工藝處理的試樣鋼的n值大于空冷/油冷處理過的試樣鋼的n值，甚至比部分淬火-回火處理的n值大，且隨著碳分配時(shí)間延長(zhǎng)n值呈上升趨勢(shì)，350 ℃碳分配30 min后試驗(yàn)鋼獲得了優(yōu)異的應(yīng)變硬化性能。