S15A深沖鋼組織形態(tài)對(duì)沖擊性能的影響

謝 華

(兵器工業(yè)西北地區(qū)理化檢測(cè)中心，西安 710043)

S15A深沖鋼具有很好的延展性，廣泛用于加工深沖零件，對(duì)材料的韌性有較高的要求。筆者利用室溫沖擊試驗(yàn)的方法，對(duì)具有不同形態(tài)的游離滲碳體組織的筒狀零件材料進(jìn)行了缺口敏感性研究。

1 試驗(yàn)材料和試樣

試驗(yàn)用材料為S15A深沖鋼。試樣取自筒狀零件的底部，編號(hào)為1#、2#，分別代表兩個(gè)不同批次的筒狀零件。筒狀零件底部的加工工藝是兩次冷鐓壓力加工，每次冷鐓后進(jìn)行退火處理，兩次冷鐓總變形量為83%。

試驗(yàn)分為化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、金相分析和沖擊斷口形貌分析。

化學(xué)成分分析的試樣和金相試樣取自1#、2#產(chǎn)品的底部，拉伸試樣為?5 mm的短標(biāo)距試樣，沖擊試樣為10 mm×10 mm×55 mm的U型夏比缺口試樣(缺口深2 mm)。兩批產(chǎn)品的拉伸和沖擊試樣取樣位置和取樣方向分別相同。

2 試驗(yàn)方法和結(jié)果

2.1 化學(xué)成分分析

在CS-344碳硫分析儀和電感偶合等離子體發(fā)射光譜儀上分析兩批零件的化學(xué)成分，結(jié)果列于表1。

表1 試樣的化學(xué)成分 %

化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果表明，材料化學(xué)成分符合GJB163B-2005中S15A鋼的要求，并且兩批零件的材料化學(xué)成分沒有明顯的區(qū)別。

2.2 拉伸、沖擊試驗(yàn)

在MTS810型材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)試材料的拉伸性能；在SI-1M型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)試材料的沖擊功，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，1#和2#兩批材料的抗拉強(qiáng)度、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率指標(biāo)基本一致，均符合技術(shù)資料規(guī)定。但2#的沖擊功僅為1#的1/4。

2.3 金相組織分析

在筒狀零件底部取金相試樣，沿平行于壓力加工變形的方向磨制金相試樣，經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后在金相顯微鏡上觀察金相組織。圖1、圖2分別是1#、2#材料的金相組織照片(500X)。

1#材料的金相組織為鐵素體和沿晶界分布的游離滲碳體，游離滲碳體呈粒狀分布。2#試樣的金相組織也是鐵素體和沿晶界分布的游離滲碳體，但游離滲碳體呈片狀分布。

圖1 1#材料金相組織

圖2 2#材料金相組織

為進(jìn)一步確認(rèn)兩種試樣的不同滲碳體形態(tài)，在掃描電子顯微鏡下觀察游離滲碳體形態(tài)，照片見圖3、圖4，照片中白色為滲碳體。從圖中可明顯看出，1#材料的滲碳體呈粒狀，2#材料的滲碳體呈片狀。

圖3 1#材料在掃描電子顯微鏡下滲碳體形態(tài)

圖4 2#材料在掃描電子顯微鏡下滲碳體形態(tài)

2.4 沖擊斷口電鏡形貌分析

在FEI QUANTA400掃描電子顯微鏡上分析沖擊試樣的斷口形貌。圖5、圖6分別是1#-1、2#-1試樣沖擊斷口的宏觀照片。可以看出，1#-1試樣斷口塑性變形非常大，為韌性斷裂；2#-1試樣斷口齊平，塑性變形小，斷口呈晶亮狀，為脆性斷裂。

圖7、圖8分別是1#-1、2#-1試樣沖擊斷口的微觀形貌照片。1#-1試樣斷面為變形拉長(zhǎng)的拋物線狀韌窩，表明塑性變形量大；2#-1試樣斷面以解理形貌為主，解理呈泥狀花樣，為脆性斷裂特征。

圖5 1#-1試樣沖擊宏觀形貌

圖6 2#-1試樣沖擊宏觀形貌

圖7 1#-1試樣沖擊斷口微觀形貌

圖8 2#-1試樣沖擊斷口微觀形貌

3 結(jié)果分析

1#與2#材料的拉伸性能基本相同，但是2#材料的沖擊功遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1#，這說明兩種材料的缺口敏感性有較大的差異。

S15A鋼中的游離滲碳體是鋼在冷卻過程中，當(dāng)碳在鐵素體中的溶解度達(dá)到飽和時(shí)，從鐵素體中沿晶界析出的。這些沿晶界分布的游離滲碳體對(duì)材料的韌性有一定的影響。1#材料的游離滲碳體呈粒狀分布，且分布均勻，按照GB/T13299-1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》評(píng)定，游離滲碳體級(jí)別為C1級(jí)。2#材料的游離滲碳體呈網(wǎng)狀，包圍鐵素體晶粒周邊達(dá)到1/3，游離滲碳體級(jí)別達(dá)到A3級(jí)，并且其游離滲碳體的微觀形態(tài)呈片狀，見圖4。

1#材料的游離滲碳體呈點(diǎn)狀、小粒狀分布于鐵素體晶界，鐵素體晶粒沒有完全被游離滲碳體割裂開，即使在高應(yīng)變速率的沖擊載荷作用下，位錯(cuò)也可以越過晶界大范圍移動(dòng)，因此1#材料塑性變形大，則沖擊功較大。

2#材料的游離滲碳體將鐵素體晶粒割裂，并且呈片狀形態(tài)，大大降低了晶界強(qiáng)度，使晶界脆化，在高應(yīng)變速率的沖擊載荷下，位錯(cuò)很難越過晶界，位錯(cuò)在晶界大量聚集形成裂紋并迅速擴(kuò)展，因此2#材料的沖擊功較小。

由于沖擊試樣上的缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，因此沖擊功大小對(duì)材料的缺口非常敏感。拉伸試驗(yàn)測(cè)定的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)很難評(píng)定材料對(duì)缺口的敏感性。所以兩批材料的拉伸指標(biāo)區(qū)別不大，沖擊功卻有非常大的區(qū)別。

S15A鋼用于制做深沖零件,由于料壞表面凹坑或較深的刀痕以及附著在料坯上的外來氧化皮，在冷鐓過程中會(huì)在材料表面形成折疊，這相當(dāng)于在零件表面形成缺口。如果零件表面存在這種折疊缺陷，并且材料中的游離滲碳體呈片狀形態(tài)，在大能量沖擊載荷作用下，就會(huì)發(fā)生開裂破壞。

4 結(jié)論

S15A深沖鋼退火態(tài)材料的游離滲碳體呈片狀分布時(shí)，缺口敏感性很大，抗沖擊載荷能力大大降低，使用中容易發(fā)生開裂破壞。生產(chǎn)中應(yīng)注意控制退火工藝，避免形成片狀游離滲碳體組織，并應(yīng)確保形成粒狀游離滲碳體組織。

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