王紹軍１,羅 峰２,秦 嵐２

(１．山東職業(yè)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性能的影響.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?yōu)榈容S鐵素體和塊狀鐵素體;當正火溫度低于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,斷后伸長率和低溫沖擊功增大;當正火溫度高于８３０ ℃后,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、斷后伸長率、低溫沖擊功均先增后降;當正火溫度為９３０ ℃、正火時間為１h時,試驗鋼的力學性能最佳.

關鍵詞:２０MnV 彈簧鋼;正火溫度;正火時間;顯微組織;力學性能

中圖分類號:TG１５６．４ 文獻標志碼: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(fā)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于０℃以下低溫環(huán)境的鋼材.在低溫環(huán)境下服役的彈簧鋼由于受沖擊載荷作用通常存在低溫脆斷現(xiàn)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性能的有效手段[２].其中,基于控軋控冷的熱機械控制工藝(TMCP)通過對鋼坯加熱溫度、軋制溫度、變形量、變形速率、終軋溫度和軋后冷卻工藝參數(shù)的合理控制,可顯著提高鋼坯強韌性,因而廣泛應用于低溫彈簧鋼的生產.由于 TMCP 熱軋鋼的組織均勻性較差且力學性能波動較大,需要對其進行后續(xù)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工藝制備的２０MnV 彈簧鋼為研究對象,研究了正火工藝參數(shù)(溫度、時間)對該鋼顯微組織和力學性能的影響,為高強高塑性以及良好低溫性能彈簧鋼的開發(fā)提供參考.

１ 試樣制備與試驗方法

試驗 材 料 為 采 用 TMCP 工 藝 生 產 的 熱 軋 態(tài)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并自然風干后,采用德國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.上述試驗鋼處理后均在空氣中冷至室溫.在正火處理前后的試驗鋼上截取金相試樣,經研磨、拋光后,用體積分數(shù)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(fā)射掃描電鏡(SEM)下觀察顯微組織,并按照 GB/T６３９４－２０１７,采用附帶ImageＧproplus６．０圖像分析軟件測定平均晶粒尺寸.使用JEOLＧ２０１０型透射電鏡(TEM)觀察微觀形貌,并用附帶的能譜儀(EDS)測定微區(qū)成分.在正火處理后的試驗鋼上截取尺寸為１０mm×１０mm×５５mm 的試樣,按照 GB/T２２９－２００７,在 DPＧ３００ 型 落 錘 沖 擊 試 驗 機 上 分 別 進 行－２５℃和－４０ ℃沖擊試驗,采用液氮冷卻.在正火處理后 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性能的影響

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.熱軋變形后,彈簧鋼呈現(xiàn)出珠光體和鐵素體交替的帶狀分布特征.

由圖２可以看出:在不同溫度下正火處理１h后,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,且具有帶狀分布特征;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?yōu)榈容S鐵素體和塊狀鐵素體,但仍保留著帶狀分布特征,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布特征基本消失,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,明顯大于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,在鐵素體界面處有尺寸不等且斷續(xù)分布的類球形碳化物(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,在晶內存在類球形析出相.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(shù)量較多.在TMCP軋制過程中,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;在后續(xù)的正火處理過程中,該碳化物發(fā)生重溶并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于奧氏體相中,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 正火溫度對力學性能的影響

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,斷后伸長率較大,呈現(xiàn)出良好的塑性,但在－２５ ℃和－４０ ℃下沖擊功較低,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 降低其低溫沖擊性能[９].

由表４可以看出:在不同溫度下正火處理１h后,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;當正火溫度低于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,斷后伸長率和低溫沖擊功增大;當正火溫度高于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,正火處理后試驗鋼的斷后伸長率和低溫沖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性能.

綜上,在不同溫度正火處理后,試驗鋼基體的位錯密度降低、內應力逐漸消除,條狀鐵素體和針狀鐵素 體 組 織 逐 漸 轉 變 為 細 小 的 等 軸 鐵 素 體 晶粒,晶粒細化后起到細晶強化的作用[１０],從而提高試驗鋼的 強 塑 性.此 外,正 火 處 理 后 試 驗 鋼 晶 界處的(Fe,Mn)３C 碳化物消失,晶內彌散析出 的 納米級 MX型 VC 相 起 到 彌 散 強 化 的 作 用[１１],改 善

了試驗鋼的低溫沖擊性能.

２．２ 正火時間對顯微組織和力學性能的影響

２．２．１ 正火時間對顯微組織的影響

由圖４可見:在９３０ ℃、不同時間正火處理后,試驗鋼的顯微組織均為等軸鐵素體和塊狀珠光體;當正火時間為０．５h時,碳和釩元素由于正火時間較短來不及充分擴散,造成富碳區(qū)穩(wěn)定性增加并形成少量富碳奧氏體小島[７],此時鐵素體的平均晶粒尺寸為１１．３μm;當正火時間延長至０．７５h和１h時,鐵素體晶粒分布更均勻,平均晶粒尺寸分別為１１．６μm 和１２．２μm;當正火時間延長至１．２５h時,鐵素體平均晶粒尺寸增至１４．５μm,相鄰鐵素體之間界面逐漸模糊[８],帶狀特征基本消失,這是由于正火時間延長使部分鐵素體發(fā)生粗化和長大導致的.

２．２．２ 正火時間對力學性能的影響

由表５可以看出:在９３０℃下,隨著正火時間的延長,試驗鋼的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、－２５℃和－４０ ℃下的沖擊功都呈現(xiàn)先增后降的趨勢,當正火時間為１h時均達到最大;不同正火時間下屈強比的變化不大.對比表３可知,不同正火時間下試驗鋼的屈服強度和抗拉強度都明顯低于正火處理前 的,而 斷 后 伸 長 率 與 正 火 處 理 前 的 相 近,－２５ ℃和－４０ ℃下的沖擊功和正火處理前的相比有顯著提高.

３ 結 論

(１)隨著正火溫度的升高,２０MnV 彈簧鋼組織由不均勻鐵素體和粒狀貝氏體轉變?yōu)榈容S鐵素體和塊狀鐵素體;當溫度升至９８０℃時,組織為粗大的鐵素體和少量魏氏體;當正火溫度低于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,斷后伸長率和低溫沖擊功增大;當正火溫度高于８３０℃時,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,且當正火溫度為８３０~９３０ ℃時具有較高的塑性和低溫沖擊功;當正火溫度為９３０ ℃時,試驗鋼力學性能最佳.

(２)在９３０℃、不同時間正火處理后,２０MnV 彈簧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,彈簧鋼的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、低溫沖擊功均先增后降,且當正火時間為１h時均達到最大值;不同正火時間下屈強比變化不大.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機械工程材料 > 2019年 > 7期 > pp.33）