尺寸因素對(duì)35CrMoV鋼力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

王思倩，張忠和，王飛宇，鄒 鵬，于廣義，劉業(yè)超

(沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869)

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用35CrMoV鋼的化學(xué)成分見表1，其中序號(hào)1是鋼廠提供的化學(xué)成分，序號(hào)2是本試驗(yàn)前化學(xué)檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)，與復(fù)檢化學(xué)成分比較接近，都滿足“GBT 3077—1999合金結(jié)構(gòu)鋼”標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分要求，而且硫、磷含量都達(dá)到了特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼的要求。該材料經(jīng)電爐冶煉，采用自由鍛造，鍛造后進(jìn)行機(jī)械加工，并經(jīng)超聲波探傷檢驗(yàn)合格。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

選用直徑φ260 mm的35CrMoV鋼軸類鍛件，粗加工后鋸切成圖1所示形狀的試驗(yàn)材料，圖1(a)鍛件的高度是140 mm，圖1(b)鍛件的高度是100 mm，即兩種尺寸鍛件的有效厚度分別是100和140 mm。同爐熱處理，工藝參數(shù)為900 ℃空冷+900 ℃水淬油冷+600 ℃空冷，兩個(gè)鍛件的不同之處是水淬時(shí)間不同，圖1(a)鍛件水淬125 s，圖1(b)鍛件水淬90 s。熱處理后按圖1(a)、(b)所示的尺寸位置線切割力學(xué)性能的試樣，試樣編號(hào)分別為11#、12#、13#、21#、22#、23#。常溫拉伸試驗(yàn)的試樣、試驗(yàn)方法等完全按標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 228.1—2010金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第一部分:室溫試驗(yàn)方法[1]”進(jìn)行，拉伸試樣為φ6 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣；沖擊試驗(yàn)的試樣、試驗(yàn)方法等按照標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 229—2007金屬材料-夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法[2]”進(jìn)行，沖擊試樣為10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊試樣，之后進(jìn)行力學(xué)性能的對(duì)比分析。利用沖擊試樣進(jìn)行金相顯微組織檢驗(yàn)，金相顯微組織檢驗(yàn)方法按“GB/T 13298—2015 金屬顯微組織檢驗(yàn)方法”標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行，結(jié)合力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)中還參考了文獻(xiàn)[3-6]。

(a) 140 mm試樣；(b) 100 mm試樣圖1 鍛件尺寸及力學(xué)性能試樣位置圖(a) 140 mm specimen；(b) 100 mm specimenFig.1 The forging size and the sampling position of mechanical property

2 力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

兩種不同尺寸試驗(yàn)用料、不同取樣部位的力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于見表2。

2.1 不同取樣部位的力學(xué)性能對(duì)比分析

對(duì)同一個(gè)試樣、不同取樣部位11#、12#、13#試樣的力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，試料表層11#試樣的強(qiáng)度、硬度明顯高于里層12#、13#試樣的強(qiáng)度、硬度值；表層延伸率略低，表層斷面收縮率略高，但總體上是表層和里層相差不大；沖擊韌性指標(biāo)也是表層明顯高于里層的。綜合力學(xué)性能上，表層的強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性明顯高于里層的。再來(lái)比較力學(xué)性能由表及里的變化趨勢(shì)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度指標(biāo)的變化趨勢(shì)是逐漸降低，而且沖擊韌性指標(biāo)也呈現(xiàn)逐漸降低的規(guī)律。比較21#、22#、23#試樣力學(xué)性能數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)也同11#、12#、13#試樣的變化規(guī)律一致。

表2 調(diào)質(zhì)后試樣的力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 不同試樣相同取樣部位的力學(xué)性能對(duì)比分析

對(duì)不同試樣上相同取樣部位的力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，比較最表層的11#、21#試樣的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，21#試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、延伸率等指標(biāo)明顯高于11#試樣的；21#試樣的布氏硬度略高于11#試樣的，分析其原因是裝爐時(shí)該試料的表面同其它試料的間距很近造成的；斷面收縮率的數(shù)值相等。比較次表層的12#和22#試樣、最里層的13#和23#試樣，趨勢(shì)同最表層的一致，區(qū)別是沖擊韌性指標(biāo)的差異沒有表層的差異大。也就是有效厚度100 mm試樣均比140 mm試樣對(duì)應(yīng)位置的綜合力學(xué)性能高，說(shuō)明有效厚度尺寸對(duì)綜合力學(xué)性能影響很大。

2.3 不同試料不同取樣部位的力學(xué)性能對(duì)比分析

對(duì)不同試料上不同取樣部位的力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，有效厚度100 mm試樣里層的屈服強(qiáng)度、延伸率都比有效厚度140 mm試樣表層的屈服強(qiáng)度、延伸率高，即有效厚度100 mm試樣的最低屈服強(qiáng)度、延伸率值都高于有效厚度140 mm試樣的；抗拉強(qiáng)度、硬度值、沖擊韌性，雖然沒有出現(xiàn)屈服強(qiáng)度這種情況，但有效厚度100 mm試樣的最高、最低抗拉強(qiáng)度明顯高于有效厚度140 mm試樣的；布氏硬度、沖擊韌性的最低值也明顯升高。只有斷面收縮率沒有明顯的變化規(guī)律。

2.4 水淬時(shí)間對(duì)力學(xué)性能影響的分析

有效厚度100 mm試樣水淬時(shí)間90 s，有效厚度140 mm試樣水淬時(shí)間125 s，尺寸大的試樣的水淬時(shí)間雖然增加了35 s，按百分比時(shí)間增加了39%，而有效厚度尺寸增加了40%，水淬時(shí)間與有效厚度尺寸增加值，雖然幾乎相等，但尺寸大的試料，在最高屈服強(qiáng)度低5.5%、最高抗拉強(qiáng)度低3%的情況下，沖擊韌性還大幅降低了20%。對(duì)于水淬油冷的雙液淬火，當(dāng)有效厚度尺寸增加時(shí)，水淬時(shí)間同比增加時(shí)，對(duì)力學(xué)性能的影響還是很有限。

3 金相顯微組織對(duì)比分析

3.1 表層與心部顯微組織的對(duì)比分析

因?yàn)榇伪韺雍屠飳拥牧W(xué)性能相差不大，故其金相顯微組織的差別也不會(huì)太大，所以選定表層和次表層的金相顯微組織進(jìn)行對(duì)比分析。比較有效厚度100 mm試樣的表層和次表層的金相顯微組織，見圖2(a)、2(b)和圖2(c)、2(d)，圖2(a) 、2(b)是淬回火組織(回火索氏體)，說(shuō)明淬火時(shí)表層得到的全部是馬氏體組織，而且晶粒細(xì)小，金相組織均勻；圖2(c)、2(d)是回火索氏體和貝氏體的混合組織，而且晶粒也不如表層的細(xì)小。金相顯微組織的變化同力學(xué)性能的變化一致。

(a) 21#試樣，100×；(b) 21#試樣，500×；(c) 22#試樣，100× ；(d) 22#試樣，500×圖2 表層和次表層金相組織(a) 21# specimen, 100× ; (b) 21# specimen, 500× ; (c) 22# specimen, 100 ×; (d) 22# specimen, 500×Fig.2 Microstructure of surface and subsurface

3.2 不同有效厚度試料表層試樣的顯微組織對(duì)比分析

不同試樣相同位置的顯微組織對(duì)比分析，應(yīng)該分別進(jìn)行表層和里層的金相顯微組織的對(duì)比分析，由于里層的力學(xué)性能數(shù)據(jù)差異相對(duì)小一些，另外從應(yīng)用的角度考慮也沒有表層的重要，比較表層的21#和11#試樣，見圖3(a)、3(b)和圖3(c)、3(d)，都是回火索氏體，組織差異不大，21#試樣的晶粒更細(xì)小，金相組織更均勻；金相顯微組織的變化同力學(xué)性能的變化一致。

(a) 21#試樣，100× ；(b) 21#試樣，500× ；(c) 11#試樣，100× ；(d) 11#試樣，500×圖3 不同試樣相同位置的的金相組織(a) 21# specimen, 100× ; (b) 21# specimen, 500× ; (c) 11# specimen, 100× ; (d) 11# specimen, 500× Fig.3 Microstructure of specimen at the same location of different material

4 結(jié)論

通過(guò)在不同尺寸的35CrMoV鋼試料在不同部位取樣，經(jīng)熱處理后進(jìn)行力學(xué)性能和金相顯微組織檢驗(yàn)及對(duì)比分析，試驗(yàn)研究了尺寸因素對(duì)35CrMoV鋼力學(xué)性能及顯微組織的影響。結(jié)果表明：有效厚度100 mm和140 mm的試樣，其表層到次表層的力學(xué)性能都有一個(gè)明顯的下降，次表層再往里層，力學(xué)性能的下降幅度明顯減小，呈現(xiàn)了綜合力學(xué)性能下降的趨勢(shì)；金相顯微組織檢驗(yàn)也由表層的回火索氏體組織，改變?yōu)榛鼗鹚魇象w和貝氏體的混合組織，同力學(xué)性能的變化規(guī)律一致。這個(gè)規(guī)律對(duì)于指導(dǎo)應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)的意義。