卢茂勇, 徐 乐, 何肖飞, 吴 润

(1. 武汉科技大学 材料与冶金学院, 湖北 武汉 430000;2. 钢铁研究总院有限公司 特殊钢研究院, 北京 100081)

55SiCr弹簧钢具有良好的抗疲劳和耐腐蚀性能,淬透性好,抗拉强度和屈服强度高,主要应用于汽车悬架,作为悬架弹簧,为汽车减震和缓冲提供保障[1-3]。随着汽车用钢材与非钢轻量化材料的竞争加剧,轻量化和高强度化将成为未来汽车用弹簧钢的发展方向[4]。悬架弹簧钢55SiCr作为汽车的安全部件之一,为了减轻自重,必然需要提高55SiCr钢的设计应力,由此提出了开发新型高强度弹簧钢的要求[5]。

但弹簧钢高强化会带来氢脆风险[6-7]。一般来说,随着钢材强度的逐渐提高,其氢脆敏感性趋于突出,延迟断裂更容易发生[8-9]。有研究表明,当钢中含有一定的氢时,在应力作用下,钢材会发生延迟断裂[10-11]。Zhao等[12]研究发现,55SiCr高强钢丝在贮存过程中发生异常断裂的原因是在预应力作用下的氢致开裂。Zhang等[13]研究发现,添加微合金化元素可以改善高强度弹簧钢的抗氢致延迟断裂性能。目前,弹簧钢氢脆特性与组织形态相互关系的研究成果不多,这方面的研究对提高高碳弹簧钢的抗氢脆性能,防止弹簧钢在应用的过程中发生氢致延迟断裂具有重要意义[14]。本文通过在55SiCr弹簧钢中添加V元素,并且通过热处理方法获得细晶组织和碳化物,研究V微合金化对55SiCr弹簧钢抗延迟断裂性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用钢包括55SiCr基础钢和添加V进行微合金化的对比钢,分别编号为TH-1钢和TH-2钢。试验钢采用真空感应炉熔炼、锻造后获得直径φ20 mm棒料,其化学成分如表1所示。在棒料上切取金相试样和晶粒度试样(φ20 mm×5 mm)、拉伸试样(L0=5d0,d0=5 mm)、相分析试样(φ10 mm×80 mm)、恒载荷缺口拉伸试样(如图1(a)所示)。

表1 试验钢的化学成分(质量分数,%)

1.2 试验方法

对TH-1、TH-2试验钢进行淬火和回火处理,其中TH-1钢淬火温度为850 ℃,TH-2钢淬火温度为900 ℃,均保温30 min后油冷,回火温度分别为410、430、450 ℃,保温2 h后空冷至室温。选用450 ℃回火试样进行晶粒度分析、相分析、延迟断裂分析。

拉伸试验按GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》在ETM-105D微机控制电子万能试验机上进行。金相试样经打磨、抛光,4%(体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀后在LEICA DMi8型光学显微镜(OM)上进行组织观察;晶粒度试样经打磨抛光后,用新型晶粒度浸蚀液浸蚀,然后在LEICA DMi8型光学显微镜上采集晶粒度照片,并按GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》中的直线截点法对晶粒大小进行测量和评级。利用JmatPro软件对试验钢随温度变化的相图进行热力学计算,确定碳化物类型,并用物理化学相分析和X射线衍射(XRD)技术对从试验钢电解萃取得到的碳化物进行定性、定量和粒度分析。

恒载荷缺口拉伸试验在恒载荷延迟断裂试验装置Bn2上进行,图1(b)为恒载荷拉伸延迟断裂试验示意图。首先在大气中对缺口试样进行拉伸试验获得试验钢的缺口强度σN,然后把试样泡在pH=(3.5±0.5)的Walpole缓蚀液(盐酸+醋酸钠+去离子水)中进行不同载荷下的恒载荷缺口拉伸试验,以试样发生断裂的时间为横坐标,发生断裂时的应力为纵坐标作图,得到类似疲劳曲线的应力-断裂时间曲线。试样发生断裂的最小应力为σf,试样在规定截止时间tc(本试验取tc=100 h)内不发生断裂的最大应力为σn,缺口拉伸临界应力σc=(σf+σn)/2,为使试验值与实际值相差小于10%,要求σf-σn≤0.2σc,采用缺口拉伸临界应力σc和延迟断裂应力比σc/σN来评价试验钢的抗延迟断裂性能。使用FEI Quanta 650热场发射扫描电镜观察恒载荷延迟断裂断口形貌。

图1 恒载荷缺口拉伸试样(a)和延迟断裂试验(b)示意图

2 试验结果及分析

2.1 显微组织分析

2.1.1 显微组织

两种试验钢经淬火和不同温度回火后的显微组织如图2所示。由图2可以看出,TH-1、TH-2钢经淬火+回火处理后的组织主要为回火屈氏体,由细粒状的渗碳体和针状α相组成。同一回火温度下,与TH-1试验钢相比,TH-2钢具有更细的显微组织,这是因为试验钢中含有钉扎原奥氏体晶界的MC型碳化物,使得试验钢在淬火后具有更细的原奥氏体晶粒,而片状马氏体的最大尺寸取决于原始奥氏体晶粒大小,奥氏体晶粒越细,则马氏体片越细,相应地,回火后的显微组织更细。在410～450 ℃回火时,两种试验钢的组织随回火温度的升高均未发生明显变化。

图2 TH-1钢(a～c)和TH-2钢(d～f)经淬火和不同温度回火后的显微组织

2.1.2 晶粒度

两种试验钢经淬火和450 ℃回火后的晶粒形貌如图3所示。经测定,TH-1钢和TH-2钢晶粒度等级分别为8级和12级,平均晶粒尺寸分别为15.4 μm和4.7 μm。晶粒大小对于试验钢的力学性能有很大影响,一般情况下,晶粒越细小,试验钢的强度和硬度则越高,同时塑韧性也越好[15]。根据τ=nτ0(其中τ表示位错集群在障碍处产生的应力集中,τ0表示滑移方向的分切应力值),晶粒越细小,则位错集群中位错个数n越小,应力集中越小,所以材料的强度越高[16]。根据霍尔-配奇公式σs=σ0+Kd-1/2(σs为屈服应力;σ0为常数,表示晶内对变形的阻力;K为常数,表示晶界对强度的影响程度,与晶界结构有关),晶粒的平均尺寸d越小,材料的屈服强度越高[16]。

图3 TH-1钢(a)和TH-2钢(b)经淬火和450 ℃回火后的晶粒形貌

2.1.3 碳化物

图4为利用JmatPro软件计算得到的两种试验钢的相图,由图4可以看出,TH-1钢中有M3C和M7C3析出相,当TH-1试验钢加热到850 ℃时,M3C和M7C3型碳化物为非平衡相,均开始固溶于基体,在30 min保温时间内奥氏体晶粒发生粗化。TH-2钢中除了M3C和M7C3型碳化物以外还有MC型碳化物,当TH-2试验钢加热至900 ℃时,仍有部分MC型碳化物存在,能在保温过程中有效钉扎原奥氏体晶界,因此,保温30 min后原奥氏体晶粒未发生明显长大。表2和表3为两种试验钢中M3C和MC型碳化物的元素含量分析结果,可见TH-2钢中MC型析出相主要是VC,尺寸集中在18～36 nm范围内,占比为31.8%,如图5所示。

图4 JmatPro计算所得TH-1钢(a)和TH-2钢(b)的相图

图5 TH-2试验钢中MC型析出相的粒度分布

表2 试验钢中M3C型析出相的元素含量(质量分数,%)

表3 TH-2钢中MC型析出相的元素含量(质量分数,%)

2.2 力学性能

两种试验钢经淬火和不同温度回火后的力学性能如图6所示。410～450 ℃回火时,随回火温度的升高,TH-1钢的抗拉强度从1779 MPa降低至1569 MPa,断面收缩率基本不变,保持在38%左右而TH-2钢的抗拉强度从1879 MPa降低至1679 MPa,断面收缩率基本不变,保持在48%左右。相同回火温度下,与TH-1钢相比,添加V的TH-2钢抗拉强度均提高了100 MPa,屈服强度均提高了150 MPa,断面收缩率较TH-1钢提高了10%。该结果表明,55SiCr钢添加V元素后,强度与塑性同时得到了提升,主要原因是TH-2钢具有更细的原始奥氏体晶粒尺寸和更细的显微组织。

图6 TH-1钢和TH-2钢经淬火和不同温度回火后的力学性能

2.3 抗延迟断裂性能

2.3.1 延迟断裂应力比

TH-1钢和TH-2钢经淬火和450 ℃回火后的恒载荷缺口拉伸试样的断裂应力-时间曲线如图7所示。TH-1钢的缺口拉伸临界应力为1277.09 MPa,延迟断裂应力比σc/σN为0.546;TH-2钢的缺口拉伸临界应力为1431.48 MPa,延迟断裂应力比σc/σN为0.604。可见,TH-2钢的强度较TH-1钢提高了100 MPa,同时延迟断裂应力较TH-1钢也相应提高,表明通过添加V元素,TH-2钢同时获得了高强度和更好的抗延迟断裂性能。

图7 TH-1钢(a)和TH-2钢(b)经淬火和450 ℃回火后的断裂应力-时间曲线

2.3.2 延迟断裂断口特征

图8为TH-1钢和TH-2钢经淬火和450 ℃回火后的恒载荷缺口拉伸试样的断口形貌。TH-1钢缺口拉伸延迟断裂断口为典型的沿晶断裂特征,TH-2钢缺口拉伸延迟断裂断口为韧窝+准解理的混合断裂。断口形貌特征表明,添加V改变了钢在氢环境下的断裂方式,有利于提高其抗延迟断裂性能。

图8 TH-1钢(a, b)和TH-2钢(c, d)经900 ℃淬火和450 ℃回火后的延迟断裂断口形貌

一般来说,强度是影响氢脆断裂发生的主要因素,钢的抗拉强度越高,抗延迟断裂性能越差[17-18]。TH-2试验钢在获得高强度的同时,其抗延迟断裂性能得到改善。因为显微组织是影响延迟断裂性能的重要因素,晶粒尺寸越小,材料的晶界总面积越大,单位面积晶界上所吸附的氢原子就会减少,这有利于改善材料延迟开裂敏感性[19]。TH-2钢中V元素将原奥氏体晶粒度细化至12级,从而改善抗延迟断裂性能,同时V元素形成的纳米级MC型析出相可以作为良好的氢陷阱,能有效地钉扎氢,抑制氢的运动,也可以提高钢的抗延迟断裂性能。因此,晶粒细化和VC氢陷阱是TH-2试验钢获得更好的抗延迟断裂性能的主要原因。

3 结论

1) V微合金化提高了55SiCr弹簧钢的强塑性,经淬火和回火后屈服强度提高了150 MPa,抗拉强度提高了100 MPa,断面收缩率提高了10%。

2) V微合金化细化了55SiCr弹簧钢的奥氏体晶粒尺寸,由15.4 μm细化至4.7 μm;经过淬火和回火后形成了纳米级MC类析出相,18～36 nm尺寸析出相占比31.8%。

3) V微合金化提高了55SiCr弹簧钢的抗延迟断裂性能,同时使钢获得了高强度,延迟断裂应力比为0.604。晶粒细化和VC氢陷阱是提高55SiCr弹簧钢抗延迟断裂性能的主要原因。