鉻鉬合金化對(duì)高錳鋼疲勞性能的影響

王 輝,譚小東,劉興剛,田學(xué)鋒,陳曉剛,田 鋒,張國(guó)志

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,沈陽(yáng) 110004;2.鐵嶺閥門 (集團(tuán))特種閥門有限責(zé)任公司 遼寧 鐵嶺 112616)

鉻鉬合金化對(duì)高錳鋼疲勞性能的影響

王 輝1,譚小東1,劉興剛1,田學(xué)鋒1,陳曉剛2,田 鋒2,張國(guó)志1

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,沈陽(yáng) 110004;2.鐵嶺閥門 (集團(tuán))特種閥門有限責(zé)任公司 遼寧 鐵嶺 112616)

研究了鉻鉬合金化對(duì)高錳鋼疲勞和耐磨性能的影響.旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)和疲勞斷口分析結(jié)果表明,鉻鉬合金化后,高錳鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有所提高,而延伸率、沖擊韌性和疲勞極限降低.在低循環(huán)應(yīng)力條件下,Cr和Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.57%和 0.34%的高錳鋼的疲勞性能低于普通高錳鋼,主要是彌散點(diǎn)狀碳化物容易引發(fā)內(nèi)部疲勞源,加快疲勞失效過(guò)程.

高錳鋼;鉻鉬合金化;疲勞性能;S-N曲線;磨料磨損

高錳鋼作為傳統(tǒng)的耐磨材料已得到廣泛應(yīng)用,幾乎被視為萬(wàn)能耐磨材料[1,2].但在坦克履帶板的服役中,發(fā)現(xiàn)高錳鋼履帶板極易產(chǎn)生裂紋,耐磨性差,其主要原因是坦克履帶板受到的沖擊較小,高錳鋼得不到充分的加工硬化,因而強(qiáng)度和硬度低[3].為了提高高錳鋼的強(qiáng)度和硬度,改善高錳鋼的耐磨性能,在高錳鋼中加入鉻和鉬進(jìn)行合金化.相關(guān)資料顯示[4～6],加入鉻鉬合金化后,高錳鋼的強(qiáng)度確實(shí)提高,裂紋萌生門檻功會(huì)上升,裂紋數(shù)量減少,耐磨性提高.但鉻鉬合金化履帶板使用過(guò)程中出現(xiàn)斷裂[7].疲勞性能是履帶板的重要性能指標(biāo),有必要研究合金化對(duì)高錳鋼疲勞性能的影響.因此,參照國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的高錳鋼履帶板化學(xué)成分,在高錳鋼中添加少量鉻和鉬,通過(guò)金相組織觀察和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口分析,研究合金化對(duì)高錳鋼疲勞性能和低應(yīng)力磨料磨損性能的影響[8,9].

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)鋼的熔煉及熱處理

采用 500 kg中頻感應(yīng)電爐熔煉鋼水,澆注成Y型試樣.兩種高錳鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表 1,表中合金化高錳鋼的化學(xué)成分是參照國(guó)內(nèi)某履帶板生產(chǎn)廠目前使用的高錳鋼履帶板成分設(shè)計(jì)的.從 Y型試樣上切割試塊,進(jìn)行水韌處理.奧氏體化溫度為1 100℃,保溫 2 h,水淬.經(jīng)線切割后,加工成機(jī)械性能試棒和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣.

表1 高錳鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 The composit ion of test steels(mass fraction) %

1.2 鋼的力學(xué)性能測(cè)試

在WJ-30萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試,試樣尺寸根據(jù) GB/T 1348-1988制備,拉伸速率為 5 mm/min;在 JBW-500型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上做沖擊試驗(yàn),試樣尺寸為 55 mm×10 mm×10 mm,帶 U型缺口,沖擊支點(diǎn)間距為 40 mm.

1.3 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法

選擇旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)?zāi)M履帶板的疲勞失效過(guò)程,參照 GB4337-84金屬旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法,在 PQ1-6純彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn).規(guī)定循環(huán)周次 N=1×107所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為疲勞強(qiáng)度極限.試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min,應(yīng)力比 R=-1.光滑圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸見(jiàn)圖 1.試樣設(shè)置方式為橫梁式,兩點(diǎn)加載.

圖1 圓柱形標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣Fig.1 Cylindrical standard fatigue spec imen

在試樣中部測(cè)量 3點(diǎn)直徑,取最小值作為應(yīng)力最大處直徑 d(測(cè)量精度不應(yīng)低于 0.01 mm).先取抗拉強(qiáng)度的一半作為疲勞極限估算值,應(yīng)力增量Δ σ一般取疲勞極限估算值的 3%～5%.在高應(yīng)力區(qū)選擇較大的Δ σ值,在疲勞極限附近選擇較小的Δ σ值.第一根試樣選擇在高于疲勞極限值的應(yīng)力下開(kāi)始,若第一根試樣在達(dá)到規(guī)定循環(huán)周次以前破壞,則下一根試樣的應(yīng)力降低一個(gè)Δ σ.若第一根試樣在達(dá)到規(guī)定循環(huán)周次時(shí)未破壞,則下一根試樣的試驗(yàn)應(yīng)力增加一個(gè)Δ σ.按此方法,直至得到一組有效數(shù)據(jù)為止.若有一根試樣達(dá)到規(guī)定循環(huán)周次時(shí)未斷裂,則疲勞極限等于此應(yīng)力和比它高一級(jí)應(yīng)力的平均值;若試樣在達(dá)到規(guī)定循環(huán)周次以前破壞,則疲勞極限等于此應(yīng)力與比其低一級(jí)的試樣不破壞應(yīng)力值的平均值.為了提高疲勞極限的可靠度,測(cè)定疲勞極限時(shí)應(yīng)當(dāng)有兩根以上試樣達(dá)到規(guī)定循環(huán)周次不破壞[5].應(yīng)力載荷是利用砝碼單點(diǎn)加載形式,載荷 P(單位:N)與應(yīng)力 σ (單位:MPa)間遵循 P=kd3σ,其中k=0.001 636.

1.4 疲勞斷口形貌及微觀組織觀察

用數(shù)碼相機(jī)拍攝疲勞斷口宏觀形貌,用 SSX-550型掃描電子顯微鏡,觀察疲勞斷口微觀形貌;用 OLY MPUS GX51金相顯微鏡觀察試驗(yàn)鋼熱處理后的金相組織.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

兩種高錳鋼熱處理后的力學(xué)性能見(jiàn)表 2.

表2 鋼的力學(xué)性能Table 2 The mechanicalproperties of the high Mn steels

由表 2可見(jiàn),鉻鉬合金化高錳鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都較普通高錳鋼有所提高,而鉻鉬合金化高錳鋼的延伸率和沖擊韌性比普通高錳鋼低.

2.2 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

兩種高錳鋼的彎曲疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 3和表 4.圖 2是根據(jù)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的 S-N曲線.隨著循環(huán)應(yīng)力的減小,疲勞壽命逐漸上升.當(dāng)循環(huán)應(yīng)力減小到 250MPa時(shí),普通高錳鋼 SN曲線出現(xiàn)平臺(tái).由表 3可見(jiàn),循環(huán)應(yīng)力為 275 MPa的 5個(gè)試樣中只有 2個(gè)試樣的循環(huán)周次達(dá)到 107未斷裂.循環(huán)應(yīng)力為 250 MPa的 2個(gè)試樣的循環(huán)周次均達(dá)到 107未斷裂.取兩者平均得出普通高錳鋼的疲勞極限為 260 MPa.當(dāng)循環(huán)應(yīng)力減小到245 MPa左右時(shí),合金化高錳鋼 S-N曲線出現(xiàn)平臺(tái).由表 4可見(jiàn),循環(huán)應(yīng)力為 240 MPa,兩個(gè)試樣的循環(huán)周次均達(dá)到 107未斷裂.循環(huán)應(yīng)力為250 MPa的 3個(gè)試樣,均在循環(huán)周次為 106時(shí)斷裂,取合金化高錳鋼的疲勞極限為 245 MPa.可見(jiàn)合金化高錳鋼的疲勞極限比普通高錳鋼的疲勞極限低.循環(huán)應(yīng)力為 350MPa時(shí),兩種高錳鋼疲勞壽命幾乎相同.可見(jiàn),在低應(yīng)力疲勞條件下,鉻鉬合金化高錳鋼疲勞性能低于普通高錳鋼.

表3 普通高錳鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Exper imental data of the traditional high Mn steel in rotary bending fatigue testing

表4 合金化高錳鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Exper im ental data of the alloying high Mn steel in rotary bending fatigue testing

2.3 疲勞斷口分析

圖3為兩種高錳鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口掃描電鏡照片.疲勞裂紋萌生都集中在試樣表層和亞表層,裂紋源處有夾雜物,斷口有明顯的疲勞裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū),因疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展是反復(fù)擠壓摩擦的過(guò)程,疲勞壽命大部分消耗在裂紋擴(kuò)展區(qū).圖 3(a)是普通高錳鋼斷口,可以看出,其裂紋源區(qū)明顯比合金化高錳鋼疲勞裂紋源區(qū)小,這表明普通高錳鋼的疲勞性能比合金化高錳鋼的疲勞性能好,裂紋萌生比較晚.斷口上都存在大量河流花樣,表明兩種高錳鋼的斷裂方式均屬穿晶脆性斷裂.

兩種高錳鋼疲勞斷口的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和疲勞裂紋瞬間斷裂區(qū)也有很大區(qū)別.圖 4(a)和 (b)分別是普通高錳鋼和合金化高錳鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū),雖然普通高錳鋼所受的循環(huán)應(yīng)力比合金化高錳鋼的循環(huán)應(yīng)力高,但普通高錳鋼疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)中的疲勞輝紋比合金化高錳鋼更均勻,裂紋間距更小,說(shuō)明普通高錳鋼在疲勞失效過(guò)程中裂紋擴(kuò)展階段比合金化高錳鋼更長(zhǎng),普通高錳鋼的疲勞性能比合金化高錳鋼的疲勞性能好.

圖4 疲勞斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌Fig.4 The mo rphology of fatigue extended area

對(duì)于疲勞裂紋瞬間斷裂區(qū) (見(jiàn)圖 5),雖然普通高錳鋼所受的循環(huán)應(yīng)力整體比合金化高錳鋼所受的循環(huán)應(yīng)力高,但合金化高錳鋼疲勞裂紋瞬間斷裂區(qū)內(nèi)的河流花樣 (圖 5(a))比普通高錳鋼(圖 5(b))更大,更具方向性,這表明合金化高錳鋼的最終斷裂比普通高錳鋼更加劇烈和迅速.這與合金化高錳鋼沖擊韌性低于普通高錳鋼的結(jié)果一致,也解釋了相同循環(huán)應(yīng)力下普通高錳鋼的疲勞壽命比合金化高錳鋼長(zhǎng)的原因.綜上可知,普通高錳鋼疲勞過(guò)程比合金化高錳鋼更長(zhǎng),更穩(wěn)定,鉻鉬合金化使高錳鋼疲勞性能下降,這與 S-N曲線一致.

2.4 微觀組織

圖6(a)是普通高錳鋼水韌處理后的金相組織,為單相奧氏體組織;鉻鉬合金化高錳鋼經(jīng)水韌處理后,在奧氏體晶粒內(nèi)部有少量彌散點(diǎn)狀碳化物,見(jiàn)圖 6(b),彌散點(diǎn)狀碳化物存在于奧氏體晶粒內(nèi)部起強(qiáng)化基體的作用,強(qiáng)度有所提高.但是碳化物與基體之間由于硬度強(qiáng)度不同,碳化物與基體界面處容易形成裂紋源,使得鉻鉬合金化高錳鋼的沖擊韌性和疲勞性能下降.

3 結(jié) 論

(1)鉻鉬合金化后,高錳鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高,延伸率和沖擊韌性都有降低.

(2)低循環(huán)應(yīng)力情況下,合金化高錳鋼的疲勞性能比普通高錳鋼低,主要是因?yàn)榧尤脬t鉬后形成的點(diǎn)狀碳化物成為疲勞裂紋源,加快了疲勞失效過(guò)程.

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Effects of Cr andMoon fatigue property of ZGMn13

W AN G H ui1,TAN X iao-dong1,LIU Xing-gang1,TIAN Xue-feng1,CH EN X iao-gang2,TIAN Feng2,ZHAN G Gui-zhi1

(1.School ofMaterials and Metallurgy,N ortheastern U niversity,Shenyang 110004,China;2. Tieling SpecialValve Co.Ltd.,Tieling 112616,China)

The effects of C r-M o alloying on the fatigue and w ear-resistant properties of ZGM n13 w ere researched,the results of rotary bending fatigue testing and abrasive w ear testing show that the strength and hardness of the high m anganese steel increase by addition of C r-M o,and the w ear-resistant properties of the high m anganese steelw ith C r-M o is better than that of the high m anganese steelw ithout C r-M o.But the toughness and fatigue property of the high m anganese steelw ith C r-M o is low er than that of the high m anganese steelw ithout C r-M o.The reason is that the dispersed carbides of C r andM o form ed in the boundary could induce crack initiation.In the case of low cyclic stress,the fatigue perform ance of the high m anganese steel w ith 0.57%C r-0.341%M o is not as good as the traditional high m anganese steel.

ZGM n13;C r-M o alloying;fatigue property;S-N curve;w ear resistance

TG146.2

A

1671-6620(2010)04-0245-05

2010-08-13.

軍工十一五預(yù)研項(xiàng)目.

王輝 (1985—),男,遼寧錦州人,東北大學(xué)碩士研究生;張國(guó)志 (1953—),男,遼寧阜新人,東北大學(xué)教授.

劉興剛 (1967—),男,甘肅會(huì)寧人,東北大學(xué)講師,E-mail:liuxinggang@smm.neu.edu.cn.