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瀏覽·▩•╃│:- 釋出日期·▩•╃│:2021-12-30 15:33:06【

王紹軍1,羅 峰2,秦 嵐2

(1.山東職業學院城市軌道交通系,濟南 250104;2.山東大學材料科學與工程學院,濟南 250100)

摘 要:對軌道交通用20MnV 彈簧鋼進行了不同溫度(780,830,880,930,980 ℃)和不同時間(0.5,0.75,1,1.25h)的正火處理,研究了正火溫度和正火時間對試驗鋼顯微組織和力學效能的影響.結果表明:隨著正火溫度升高,20MnV 彈簧鋼組織由不均勻鐵素體和粒狀貝氏體轉變為等軸鐵素體和塊狀鐵素體;當正火溫度低於830 ℃時,隨著正火溫度的升高,試驗鋼的屈服強度和抗拉強度降低,斷後伸長率和低溫衝擊功增大;當正火溫度高於830 ℃後,試驗鋼的屈服強度和抗拉強度均隨著正火溫度升高而增加;在不同正火時間下,試驗鋼的顯微組織均為等軸鐵素體和塊狀珠光體;隨著正火時間的延長,試驗鋼的屈服強度✘╃、抗拉強度✘╃、斷後伸長率✘╃、低溫衝擊功均先增後降;當正火溫度為930 ℃✘╃、正火時間為1h時,試驗鋼的力學效能最佳.

關鍵詞:20MnV 彈簧鋼;正火溫度;正火時間;顯微組織;力學效能

中圖分類號:TG156.4 文獻標誌碼:A 文章編號:1000G3738(2019)07G0033G05


0 引 言

近年來,我國城市軌道交通設施得到快速發展,這對軌道交通用高強高塑性及低成本的低溫彈簧鋼提出了更高的要求.低溫彈簧鋼是指適用於0℃以下低溫環境的鋼材.在低溫環境下服役的彈簧鋼由於受衝擊載荷作用通常存在低溫脆斷現象,如何解決彈簧鋼低溫脆性問題成為擴大彈簧鋼應用領域✘╃、提升其安全儲備的關鍵[1].微合金化✘╃、形變熱處理✘╃、

控軋控冷等方法是提高低溫彈簧鋼綜合力學效能的有效手段[2].其中,基於控軋控冷的熱機械控制工藝(TMCP)透過對鋼坯加熱溫度✘╃、軋製溫度✘╃、變形量✘╃、變形速率✘╃、終軋溫度和軋後冷卻工藝引數的合理控制,可顯著提高鋼坯強韌性,因而廣泛應用於低溫彈簧鋼的生產.由於 TMCP 熱軋鋼的組織均勻性較差且力學效能波動較大,需要對其進行後續熱處理[3G4].目前,國內外對 TMCP 熱軋鋼的熱處理工藝研究較少,低溫下該鋼的斷裂行為及其機理仍不清楚.為此,作者以 TMCP工藝製備的20MnV 彈簧鋼為研究物件,研究了正火工藝引數(溫度✘╃、時間)對該鋼顯微組織和力學效能的影響,為高強高塑性以及良好低溫效能彈簧鋼的開發提供參考.

1 試樣製備與試驗方法

試驗 材 料 為 採 用 TMCP 工 藝 生 產 的 熱 軋 態20MnV彈簧鋼,尺寸為100mm×80mm×12mm,由寶山鋼鐵股份有限公司提供,化學成分如表1所示.


將試驗鋼表面用水沖洗並自然風乾後,採用德國NaberthermLE2/11/R7型電爐在溫度分別為780,830,880,930,980 ℃下正火處理,正火時間分別為0.5,0.75,1,1.25h正火處理.上述試驗鋼處理後均在空氣中冷至室溫.在正火處理前後的試驗鋼上擷取金相試樣,經研磨✘╃、拋光後,用體積分數為3.5%的硝酸酒精溶液腐蝕,在IX83型光學顯微鏡(OM)和 SG4800型冷場發射掃描電鏡(SEM)下觀察顯微組織,並按照 GB/T6394-2017,採用附帶ImageGproplus6.0影象分析軟體測定平均晶粒尺寸.使用JEOLG2010型透射電鏡(TEM)觀察微觀形貌,並用附帶的能譜儀(EDS)測定微區成分.在正火處理後的試驗鋼上擷取尺寸為10mm×10mm×55mm 的試樣,按照 GB/T229-2007,在 DPG300 型 落 錘 衝 擊 試 驗 機 上 分 別 進 行-25℃和-40 ℃衝擊試驗,採用液氮冷卻.在正火處理後 的 試 驗 鋼 上 截 取 尺 寸 為 39 mm×8 mm×2mm的 試 樣,按 照 GB/T 228.1-2010,在 QXGW550 型電子拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗,拉伸速度為1.5mm??min-1.




2 試驗結果與討論

2.1 正火溫度對顯微組織和力學效能的影響

2.1.1 正火溫度對顯微組織的影響

由圖1可以看出,正火處理前試驗鋼組織中存在條狀 鐵 素 體 (SF)✘╃、珠 光 體 (P)和 少 量 針 狀 鐵 素 體(AF),其中條狀鐵素體晶界較為清晰,而針狀鐵素體晶界模糊且不完整.熱軋變形後,彈簧鋼呈現出珠光體和鐵素體交替的帶狀分佈特徵.

由圖2可以看出:在不同溫度下正火處理1h後,當正火溫度為780℃和830℃時,試驗鋼組織均為不均勻條狀及針狀鐵素體和粒狀貝氏體,且具有帶狀分佈特徵;當正火溫度升至880℃和930℃時,條狀鐵素體和針狀鐵素體組織均轉變為等軸鐵素體和塊狀鐵素體,但仍保留著帶狀分佈特徵,這時等軸鐵 素體和塊狀鐵素體平均晶粒尺寸分別為11.3μm





和12.2μm;當正火溫度升至980 ℃時,試驗鋼組織中的帶狀分佈特徵基本消失,組織為粗大的鐵素體和少量 魏 氏 體 (WF),鐵 素 體 平 均 晶 粒 尺 寸 達 到22.8μm,明顯大於880 ℃和930 ℃時的.由圖3可以看出:正火處理前試驗鋼組織中有近似 平 行 排 列 的 針 狀 鐵 素 體,束 徑 寬 度 為 580~1000nm,在鐵素體介面處有尺寸不等且斷續分佈的類球形碳化物(粒徑為140~480nm).由表2能譜 分 析 結 果 結 合 文 獻 [4]可 知,這 些 碳 化 物 為(Fe,Mn)3C相.當正火溫度為830 ℃和930 ℃時,試驗鋼內鐵素體晶界上碳化物的顆粒尺寸均較小,在晶記憶體在類球形析出相.由表2能譜分析結果結合文獻[5]可知,這些析出相為 MX 型碳化釩(VC)相,且當正火溫度為930 ℃時析出相數量較多.在TMCP軋製過程中,試驗鋼較快的冷卻速率縮短了碳原子擴散時間,使碳和釩元素在晶界偏聚形成碳化物;在後續的正火處理過程中,該碳化物發生重溶並在冷卻過程中從基體中彌散析出[6].當正火溫度為930℃時,試驗鋼中的釩元素能充分溶解於奧氏體相中,從而在奧氏體向鐵素體轉變過程中析出更多細小的 VC相合文獻[5]可知,這些析出相為 MX 型碳化釩(VC


2.1.2 正火溫度對力學效能的影響

由表3可以看出,正火處理前20MnV 彈簧鋼的屈服強度和抗拉強度較高,斷後伸長率較大,呈現出良好的塑性,但在-25 ℃和-40 ℃下衝擊功較低,說明 試 驗 鋼 存 在 低 溫 脆 性 問 題.這 是 因 為試驗鋼中有 高 密 度 位 錯 的 針 狀 鐵 素 體,在 塑 性 變形中易產生 位 錯 纏 結 和 位 錯 塞 積,提 高 位 錯 運 動的阻力,從而提高屈服強度和抗拉強度,而晶界粗大的(Fe,Mn)3C 碳化物和條帶狀組織,使試 驗 鋼在塑性變形 中 易 產 生 應 力 集 中 和 微 裂 紋,從 而 降低其低溫衝擊性能[9].


由表4可以看出:在不同溫度下正火處理1h後,20MnV 彈簧鋼的屈服強度和抗拉強度比正火處理前的有不同程度降低;當正火溫度低於830℃時,隨著正火溫度的升高,試驗鋼的屈服強度和抗拉強度降低,斷後伸長率和低溫衝擊功增大;當正火溫度高於830 ℃時,試驗鋼的屈服強度和抗拉強度隨著正火溫度升高而增加;當正火溫度為830~930 ℃時,正火處理後試驗鋼的斷後伸長率和低溫衝擊功比正火處理前的更高,其塑性更好但屈強比更低.綜合來看,當正火溫度為930℃時,試驗鋼具有最佳的力學效能.