V微合金化對55SiCr鋼組織和抗延遲斷裂性能的影響

盧茂勇, 徐 樂, 何肖飛, 吳 潤

(1. 武漢科技大學 材料與冶金學院, 湖北 武漢 430000;2. 鋼鐵研究總院有限公司 特殊鋼研究院, 北京 100081)

55SiCr彈簧鋼具有良好的抗疲勞和耐腐蝕性能,淬透性好,抗拉強度和屈服強度高,主要應用于汽車懸架,作為懸架彈簧,為汽車減震和緩沖提供保障[1-3]。隨著汽車用鋼材與非鋼輕量化材料的競爭加劇,輕量化和高強度化將成為未來汽車用彈簧鋼的發展方向[4]。懸架彈簧鋼55SiCr作為汽車的安全部件之一,為了減輕自重,必然需要提高55SiCr鋼的設計應力,由此提出了開發新型高強度彈簧鋼的要求[5]。

但彈簧鋼高強化會帶來氫脆風險[6-7]。一般來說,隨著鋼材強度的逐漸提高,其氫脆敏感性趨于突出,延遲斷裂更容易發生[8-9]。有研究表明,當鋼中含有一定的氫時,在應力作用下,鋼材會發生延遲斷裂[10-11]。Zhao等[12]研究發現,55SiCr高強鋼絲在貯存過程中發生異常斷裂的原因是在預應力作用下的氫致開裂。Zhang等[13]研究發現,添加微合金化元素可以改善高強度彈簧鋼的抗氫致延遲斷裂性能。目前,彈簧鋼氫脆特性與組織形態相互關系的研究成果不多,這方面的研究對提高高碳彈簧鋼的抗氫脆性能,防止彈簧鋼在應用的過程中發生氫致延遲斷裂具有重要意義[14]。本文通過在55SiCr彈簧鋼中添加V元素,并且通過熱處理方法獲得細晶組織和碳化物,研究V微合金化對55SiCr彈簧鋼抗延遲斷裂性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用鋼包括55SiCr基礎鋼和添加V進行微合金化的對比鋼,分別編號為TH-1鋼和TH-2鋼。試驗鋼采用真空感應爐熔煉、鍛造后獲得直徑φ20 mm棒料,其化學成分如表1所示。在棒料上切取金相試樣和晶粒度試樣(φ20 mm×5 mm)、拉伸試樣(L0=5d0,d0=5 mm)、相分析試樣(φ10 mm×80 mm)、恒載荷缺口拉伸試樣(如圖1(a)所示)。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數,%)

1.2 試驗方法

對TH-1、TH-2試驗鋼進行淬火和回火處理,其中TH-1鋼淬火溫度為850 ℃,TH-2鋼淬火溫度為900 ℃,均保溫30 min后油冷,回火溫度分別為410、430、450 ℃,保溫2 h后空冷至室溫。選用450 ℃回火試樣進行晶粒度分析、相分析、延遲斷裂分析。

拉伸試驗按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》在ETM-105D微機控制電子萬能試驗機上進行。金相試樣經打磨、拋光,4%(體積分數)硝酸酒精溶液浸蝕后在LEICA DMi8型光學顯微鏡(OM)上進行組織觀察;晶粒度試樣經打磨拋光后,用新型晶粒度浸蝕液浸蝕,然后在LEICA DMi8型光學顯微鏡上采集晶粒度照片,并按GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》中的直線截點法對晶粒大小進行測量和評級。利用JmatPro軟件對試驗鋼隨溫度變化的相圖進行熱力學計算,確定碳化物類型,并用物理化學相分析和X射線衍射(XRD)技術對從試驗鋼電解萃取得到的碳化物進行定性、定量和粒度分析。

恒載荷缺口拉伸試驗在恒載荷延遲斷裂試驗裝置Bn2上進行,圖1(b)為恒載荷拉伸延遲斷裂試驗示意圖。首先在大氣中對缺口試樣進行拉伸試驗獲得試驗鋼的缺口強度σN,然后把試樣泡在pH=(3.5±0.5)的Walpole緩蝕液(鹽酸+醋酸鈉+去離子水)中進行不同載荷下的恒載荷缺口拉伸試驗,以試樣發生斷裂的時間為橫坐標,發生斷裂時的應力為縱坐標作圖,得到類似疲勞曲線的應力-斷裂時間曲線。試樣發生斷裂的最小應力為σf,試樣在規定截止時間tc(本試驗取tc=100 h)內不發生斷裂的最大應力為σn,缺口拉伸臨界應力σc=(σf+σn)/2,為使試驗值與實際值相差小于10%,要求σf-σn≤0.2σc,采用缺口拉伸臨界應力σc和延遲斷裂應力比σc/σN來評價試驗鋼的抗延遲斷裂性能。使用FEI Quanta 650熱場發射掃描電鏡觀察恒載荷延遲斷裂斷口形貌。

圖1 恒載荷缺口拉伸試樣(a)和延遲斷裂試驗(b)示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織分析

2.1.1 顯微組織

兩種試驗鋼經淬火和不同溫度回火后的顯微組織如圖2所示。由圖2可以看出,TH-1、TH-2鋼經淬火+回火處理后的組織主要為回火屈氏體,由細粒狀的滲碳體和針狀α相組成。同一回火溫度下,與TH-1試驗鋼相比,TH-2鋼具有更細的顯微組織,這是因為試驗鋼中含有釘扎原奧氏體晶界的MC型碳化物,使得試驗鋼在淬火后具有更細的原奧氏體晶粒,而片狀馬氏體的最大尺寸取決于原始奧氏體晶粒大小,奧氏體晶粒越細,則馬氏體片越細,相應地,回火后的顯微組織更細。在410～450 ℃回火時,兩種試驗鋼的組織隨回火溫度的升高均未發生明顯變化。

圖2 TH-1鋼(a～c)和TH-2鋼(d～f)經淬火和不同溫度回火后的顯微組織

2.1.2 晶粒度

兩種試驗鋼經淬火和450 ℃回火后的晶粒形貌如圖3所示。經測定,TH-1鋼和TH-2鋼晶粒度等級分別為8級和12級,平均晶粒尺寸分別為15.4 μm和4.7 μm。晶粒大小對于試驗鋼的力學性能有很大影響,一般情況下,晶粒越細小,試驗鋼的強度和硬度則越高,同時塑韌性也越好[15]。根據τ=nτ0(其中τ表示位錯集群在障礙處產生的應力集中,τ0表示滑移方向的分切應力值),晶粒越細小,則位錯集群中位錯個數n越小,應力集中越小,所以材料的強度越高[16]。根據霍爾-配奇公式σs=σ0+Kd-1/2(σs為屈服應力;σ0為常數,表示晶內對變形的阻力;K為常數,表示晶界對強度的影響程度,與晶界結構有關),晶粒的平均尺寸d越小,材料的屈服強度越高[16]。

圖3 TH-1鋼(a)和TH-2鋼(b)經淬火和450 ℃回火后的晶粒形貌

2.1.3 碳化物

圖4為利用JmatPro軟件計算得到的兩種試驗鋼的相圖,由圖4可以看出,TH-1鋼中有M3C和M7C3析出相,當TH-1試驗鋼加熱到850 ℃時,M3C和M7C3型碳化物為非平衡相,均開始固溶于基體,在30 min保溫時間內奧氏體晶粒發生粗化。TH-2鋼中除了M3C和M7C3型碳化物以外還有MC型碳化物,當TH-2試驗鋼加熱至900 ℃時,仍有部分MC型碳化物存在,能在保溫過程中有效釘扎原奧氏體晶界,因此,保溫30 min后原奧氏體晶粒未發生明顯長大。表2和表3為兩種試驗鋼中M3C和MC型碳化物的元素含量分析結果,可見TH-2鋼中MC型析出相主要是VC,尺寸集中在18～36 nm范圍內,占比為31.8%,如圖5所示。

圖4 JmatPro計算所得TH-1鋼(a)和TH-2鋼(b)的相圖

圖5 TH-2試驗鋼中MC型析出相的粒度分布

表2 試驗鋼中M3C型析出相的元素含量(質量分數,%)

表3 TH-2鋼中MC型析出相的元素含量(質量分數,%)

2.2 力學性能

兩種試驗鋼經淬火和不同溫度回火后的力學性能如圖6所示。410～450 ℃回火時,隨回火溫度的升高,TH-1鋼的抗拉強度從1779 MPa降低至1569 MPa,斷面收縮率基本不變,保持在38%左右而TH-2鋼的抗拉強度從1879 MPa降低至1679 MPa,斷面收縮率基本不變,保持在48%左右。相同回火溫度下,與TH-1鋼相比,添加V的TH-2鋼抗拉強度均提高了100 MPa,屈服強度均提高了150 MPa,斷面收縮率較TH-1鋼提高了10%。該結果表明,55SiCr鋼添加V元素后,強度與塑性同時得到了提升,主要原因是TH-2鋼具有更細的原始奧氏體晶粒尺寸和更細的顯微組織。

圖6 TH-1鋼和TH-2鋼經淬火和不同溫度回火后的力學性能

2.3 抗延遲斷裂性能

2.3.1 延遲斷裂應力比

TH-1鋼和TH-2鋼經淬火和450 ℃回火后的恒載荷缺口拉伸試樣的斷裂應力-時間曲線如圖7所示。TH-1鋼的缺口拉伸臨界應力為1277.09 MPa,延遲斷裂應力比σc/σN為0.546;TH-2鋼的缺口拉伸臨界應力為1431.48 MPa,延遲斷裂應力比σc/σN為0.604。可見,TH-2鋼的強度較TH-1鋼提高了100 MPa,同時延遲斷裂應力較TH-1鋼也相應提高,表明通過添加V元素,TH-2鋼同時獲得了高強度和更好的抗延遲斷裂性能。

圖7 TH-1鋼(a)和TH-2鋼(b)經淬火和450 ℃回火后的斷裂應力-時間曲線

2.3.2 延遲斷裂斷口特征

圖8為TH-1鋼和TH-2鋼經淬火和450 ℃回火后的恒載荷缺口拉伸試樣的斷口形貌。TH-1鋼缺口拉伸延遲斷裂斷口為典型的沿晶斷裂特征,TH-2鋼缺口拉伸延遲斷裂斷口為韌窩+準解理的混合斷裂。斷口形貌特征表明,添加V改變了鋼在氫環境下的斷裂方式,有利于提高其抗延遲斷裂性能。

圖8 TH-1鋼(a, b)和TH-2鋼(c, d)經900 ℃淬火和450 ℃回火后的延遲斷裂斷口形貌

一般來說,強度是影響氫脆斷裂發生的主要因素,鋼的抗拉強度越高,抗延遲斷裂性能越差[17-18]。TH-2試驗鋼在獲得高強度的同時,其抗延遲斷裂性能得到改善。因為顯微組織是影響延遲斷裂性能的重要因素,晶粒尺寸越小,材料的晶界總面積越大,單位面積晶界上所吸附的氫原子就會減少,這有利于改善材料延遲開裂敏感性[19]。TH-2鋼中V元素將原奧氏體晶粒度細化至12級,從而改善抗延遲斷裂性能,同時V元素形成的納米級MC型析出相可以作為良好的氫陷阱,能有效地釘扎氫,抑制氫的運動,也可以提高鋼的抗延遲斷裂性能。因此,晶粒細化和VC氫陷阱是TH-2試驗鋼獲得更好的抗延遲斷裂性能的主要原因。

3 結論

1) V微合金化提高了55SiCr彈簧鋼的強塑性,經淬火和回火后屈服強度提高了150 MPa,抗拉強度提高了100 MPa,斷面收縮率提高了10%。

2) V微合金化細化了55SiCr彈簧鋼的奧氏體晶粒尺寸,由15.4 μm細化至4.7 μm;經過淬火和回火后形成了納米級MC類析出相,18～36 nm尺寸析出相占比31.8%。

3) V微合金化提高了55SiCr彈簧鋼的抗延遲斷裂性能,同時使鋼獲得了高強度,延遲斷裂應力比為0.604。晶粒細化和VC氫陷阱是提高55SiCr彈簧鋼抗延遲斷裂性能的主要原因。