退火工藝下的低合金高強(qiáng)鋼疲勞性能分析

蘇 姣

(山西科技學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西 晉城 048000)

0 引言

近年來,我國(guó)汽車市場(chǎng)擴(kuò)張迅速,汽車銷售量不斷增長(zhǎng),已經(jīng)成為全球最大的汽車市場(chǎng).越來越高的汽車使用量,帶來了能源消耗與環(huán)境污染問題,出于節(jié)能與環(huán)保的需要,汽車的輕量化成為汽車的主流發(fā)展方向[1].在確保車輛綜合性能指標(biāo)后,需要盡量減少車體自身質(zhì)量,以提升汽車動(dòng)力性能,降低排氣污染,減少燃料消耗.實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑是應(yīng)用輕量化材料.由于合金材料會(huì)大幅增加成本,因此鋁鎂合金、有色合金等材料目前還無法作為輕量化材料來大量應(yīng)用.而高強(qiáng)鋼的抗拉強(qiáng)度較高,可以在不降低車身剛度與強(qiáng)度等各種性能指標(biāo)的前提下實(shí)現(xiàn)車身質(zhì)量的減少,已經(jīng)成為鋼鐵工業(yè)與汽車工業(yè)的研究熱點(diǎn)[2].低合金高強(qiáng)鋼作為一種新出現(xiàn)的輕量化材料,由于其優(yōu)良的性能與減重的特性,已經(jīng)在汽車制造行業(yè)中引發(fā)廣泛關(guān)注[3].

對(duì)于低合金高強(qiáng)鋼來說,退火工藝對(duì)其最終力學(xué)性能有著重要影響,其退火過程包括加熱過程中的再結(jié)晶與冷變形組織恢復(fù),兩相區(qū)臨界奧氏體化等多個(gè)階段.基于該背景對(duì)退火工藝下的低合金高強(qiáng)鋼疲勞性能進(jìn)行分析.目前已經(jīng)有多名學(xué)者針對(duì)多種退火工藝對(duì)于低合金高強(qiáng)鋼疲勞性能的影響進(jìn)行了研究,并取得了豐富的研究成果.筆者總結(jié)并借鑒以往的研究方法與成果,對(duì)退火工藝下的低合金高強(qiáng)鋼疲勞性能實(shí)施深入而細(xì)致的分析.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

設(shè)計(jì)3種成分體系的低合金高強(qiáng)鋼作為試驗(yàn)材料,包括Mn-Cr-Nb系復(fù)合高強(qiáng)鋼、Cr-Mo系復(fù)合高強(qiáng)鋼以及Cu-Ni系復(fù)合高強(qiáng)鋼,其中Mn-Cr-Nb系復(fù)合高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分構(gòu)成如表1所示[4].

表1 Mn-Cr-Nb系復(fù)合高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分

Cr-Mo系復(fù)合高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分構(gòu)成如表2所示[5].

表2 Cr-Mo系復(fù)合高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分

Cu-Ni系復(fù)合高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分構(gòu)成如表3所示.

表3 Cu-Ni系復(fù)合高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分

其他輔助性試驗(yàn)材料包括鋼板清潔劑、油.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中使用的設(shè)備具體如表4所示[6].

表4 試驗(yàn)設(shè)備

1.3 低合金高強(qiáng)鋼試樣制備

低合金高強(qiáng)鋼試樣制備流程如下:

1)使用中頻感應(yīng)爐分別冶煉試驗(yàn)材料,并進(jìn)行澆鑄與鍛造[7].其中冶煉時(shí)中頻感應(yīng)爐熔煉的參數(shù)設(shè)定如表5所示.

表5 冶煉時(shí)中頻感應(yīng)熔煉爐的參數(shù)設(shè)定

開坯鍛造時(shí)的工藝曲線如圖1所示[8].

圖1 開坯鍛造時(shí)的工藝曲線

2)使用電火花線切割機(jī)將鍛造結(jié)果切割為多個(gè)長(zhǎng)方體鋼坯,尺寸為240 mm×200 mm×60 mm.

3)使用鋼板清潔劑將各種鋼坯清洗干凈,去除其表面的雜質(zhì).

4)在表面涂油,避免鋼坯出現(xiàn)二次氧化現(xiàn)象.

5)應(yīng)用二輥可逆式軋機(jī)實(shí)施多道次軋制,獲得制備的低合金高強(qiáng)鋼試樣[9].

完成冷軋后,使用退火工藝對(duì)試樣實(shí)施退火處理.

1.4 退火處理

一共應(yīng)用3種退火工藝,分別為DP工藝、QP工藝、TRIP工藝,三者的主要區(qū)別在于退火速度與緩冷段溫度的控制,其目標(biāo)冷速分別為40 ℃/s、50 ℃/s、60 ℃/s.

DP工藝、QP工藝、TRIP工藝的詳細(xì)方案如表6所示.

分別使用以上3種退火工藝對(duì)3種低合金高強(qiáng)鋼試樣實(shí)施退火處理.其中DP工藝、QP工藝在箱式電阻爐中完成,TRIP工藝在鹽浴退火爐中完成[10].

1.5 疲勞測(cè)試方法

應(yīng)用疲勞測(cè)試系統(tǒng)實(shí)施低合金高強(qiáng)鋼試樣的疲勞性能測(cè)試,該系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、拉伸夾具、數(shù)字式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)構(gòu)成[11].疲勞試驗(yàn)機(jī)的規(guī)格是100 kN,通過控制系統(tǒng)顯示、監(jiān)測(cè)、控制試驗(yàn)過程中的波形加載、頻率加載、位移量、實(shí)時(shí)載荷大小.

具體的疲勞測(cè)試步驟如下:

1)試樣裝夾

將載荷清零,在疲勞試驗(yàn)機(jī)上裝夾低合金高強(qiáng)鋼試樣.

2)前期調(diào)整

將試樣加力到最大應(yīng)力載荷值,接著卸載至零,使后續(xù)的動(dòng)態(tài)加載過程中不發(fā)生屈服累積變形問題,避免對(duì)測(cè)試精度造成影響[12].

3)設(shè)定載荷

將載荷調(diào)整為此類疲勞試驗(yàn)各級(jí)載荷的中值,具體計(jì)算公式如下:

(1)

式中,pm為此類疲勞試驗(yàn)各級(jí)的載荷中值,pmin為疲勞試驗(yàn)載荷最小值,pmax為疲勞試驗(yàn)載荷最大值,T為應(yīng)力比[13].

4)開始測(cè)試

選定合適的表征方式與失效認(rèn)定方式,在室溫空氣下開始測(cè)試[14].

測(cè)試中設(shè)置的各級(jí)載荷為1 500 Pa、1 600 Pa、1 700 Pa、1 800 Pa、1 900 Pa、2 000 Pa、2 100 Pa、2 200 Pa、2 300 Pa[15].

當(dāng)?shù)秃辖鸶邚?qiáng)鋼試樣上出現(xiàn)疲勞裂紋,表示試樣為疲勞失效狀態(tài).當(dāng)發(fā)生疲勞失效時(shí),通過控制系統(tǒng)自動(dòng)停止試驗(yàn),此時(shí)的循環(huán)次數(shù)就是該級(jí)載荷下的試件疲勞壽命[16].

在可靠度為50%的條件下進(jìn)行各組試驗(yàn).設(shè)置3組Mn-Cr-Nb系復(fù)合高強(qiáng)鋼、3組Cr-Mo系復(fù)合高強(qiáng)鋼、3組Cu-Ni系復(fù)合高強(qiáng)鋼,每組試樣中包含20個(gè)樣品,以此進(jìn)行低合金高強(qiáng)鋼疲勞性能分析.

2 疲勞性能分析

2.1 DP工藝下的低合金高強(qiáng)鋼疲勞性能

在DP工藝下,當(dāng)退火速度為120 m/min時(shí),測(cè)試Mn-Cr-Nb系復(fù)合高強(qiáng)鋼、Cr-Mo系復(fù)合高強(qiáng)鋼、Cu-Ni系復(fù)合高強(qiáng)鋼試樣在各級(jí)載荷下的疲勞壽命,測(cè)試結(jié)果如表7所示.

表7 疲勞壽命測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表7測(cè)試結(jié)果,當(dāng)退火速度為120 m/min時(shí),Cr-Mo系復(fù)合高強(qiáng)鋼試樣的疲勞壽命最長(zhǎng),Mn-Cr-Nb系復(fù)合高強(qiáng)鋼的疲勞壽命居中,Cu-Ni系復(fù)合高強(qiáng)鋼的疲勞壽命最短.隨著載荷的上升,3種低合金高強(qiáng)鋼試樣的疲勞壽命都在持續(xù)降低.

在DP工藝下,退火速度為130 m/min,測(cè)試3種復(fù)合高強(qiáng)鋼試樣在各級(jí)載荷下的疲勞壽命,測(cè)試結(jié)果如表8所示.

表8 疲勞壽命測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表8測(cè)試結(jié)果,當(dāng)退火速度為130 m/min時(shí),隨著載荷的上升,3種低合金高強(qiáng)鋼試樣的疲勞壽命仍呈現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢(shì).此時(shí)仍然是Cr-Mo系復(fù)合高強(qiáng)鋼試樣的疲勞壽命最長(zhǎng),Mn-Cr-Nb系復(fù)合高強(qiáng)鋼的疲勞壽命居中,Cu-Ni系復(fù)合高強(qiáng)鋼的疲勞壽命最短.相比退火速度為120 m/min時(shí)的情況,3種低合金高強(qiáng)鋼試樣的疲勞壽命值均更高,說明該工藝下更高的退火速度能夠使低合金高強(qiáng)鋼試樣的抗疲勞性能更強(qiáng).此外,在DP工藝中,通過加熱使材料處于奧氏體區(qū)域,然后急速冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以下,形成外層馬氏體和內(nèi)部殘余奧氏體的雙相結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度和較高的斷裂韌性.適當(dāng)?shù)母邷赝嘶鹉軌蚋纳撇牧系目伤苄浴p少殘余應(yīng)力、增強(qiáng)組織穩(wěn)定性,從而提高疲勞壽命.

2.2 QP工藝下的低合金高強(qiáng)鋼疲勞性能

在QP工藝下,當(dāng)退火速度為150 m/min時(shí),測(cè)試3種低合金高強(qiáng)鋼試樣在各級(jí)載荷下的疲勞壽命,生成S-N曲線測(cè)試結(jié)果,如圖2所示.

圖2 疲勞壽命測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖2的測(cè)試結(jié)果可知,退火速度為150 m/min時(shí),當(dāng)載荷由1 500 Pa上升至2 100 Pa時(shí),Cr-Mo系復(fù)合高強(qiáng)鋼的疲勞壽命最長(zhǎng);當(dāng)載荷繼續(xù)上升時(shí),Mn-Cr-Nb系復(fù)合高強(qiáng)鋼的疲勞壽命逐漸高于Cr-Mo系復(fù)合高強(qiáng)鋼.Cu-Ni系復(fù)合高強(qiáng)鋼的疲勞壽命最低.整體來說,QP工藝下3種低合金高強(qiáng)鋼的疲勞壽命遠(yuǎn)高于DP工藝的低合金高強(qiáng)鋼疲勞壽命.同時(shí)相比DP工藝,3種低合金高強(qiáng)鋼之間的疲勞壽命差值較小.

當(dāng)退火速度為160 m/min時(shí),3種低合金高強(qiáng)鋼試樣在各級(jí)載荷下的疲勞壽命S-N曲線結(jié)果如圖3所示.

圖3 疲勞壽命測(cè)試結(jié)果

圖3測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)退火速度為160 m/min時(shí),3種低合金高強(qiáng)鋼試樣在各級(jí)載荷下的疲勞壽命差異較小,同時(shí),當(dāng)退火速度為160 m/min時(shí),3種低合金高強(qiáng)鋼試樣的疲勞壽命相對(duì)于退火速度為150 m/min時(shí)也有很大上升.對(duì)于QP工藝來說,更高的退火速度能夠獲得更好的低合金高強(qiáng)鋼抗疲勞性能.同時(shí),在QP工藝中,通過高溫快速冷卻和后續(xù)再回火處理來獲得孿生組織.孿晶結(jié)構(gòu)由奧氏體基體與具有定向排列的極間相孿生片區(qū)構(gòu)成,能夠提供較高的強(qiáng)度和延展性.孿晶組織在應(yīng)力作用下形成裂紋時(shí)可以壓制裂紋擴(kuò)展,增加材料的疲勞壽命.適當(dāng)?shù)幕鼗鹛幚砟軌蛳龖?yīng)力集中和塑性不均勻,增強(qiáng)材料的韌性,并提高疲勞壽命.

2.3 TRIP工藝下的低合金高強(qiáng)鋼疲勞性能

在TRIP工藝下,當(dāng)退火速度為110 m/min時(shí),3種低合金高強(qiáng)鋼試樣在各級(jí)載荷下的疲勞壽命S-N曲線如圖4所示.

圖4 疲勞壽命測(cè)試結(jié)果

該工藝下,當(dāng)退火速度為110 m/min時(shí),Cu-Ni系復(fù)合高強(qiáng)鋼試樣的疲勞壽命最長(zhǎng),其余2種低合金高強(qiáng)鋼試樣的疲勞壽命較短并且大致相似.整體來說,該工藝下試樣的疲勞壽命遠(yuǎn)低于QP工藝下的疲勞壽命,也低于DP工藝下的疲勞壽命.同時(shí),相比其他2種工藝,隨著載荷的提高,3種低合金高強(qiáng)鋼試樣的疲勞壽命降幅更大.

當(dāng)退火速度為120 m/min時(shí),3種試樣在各級(jí)載荷下的疲勞壽命S-N曲線如圖5所示.

圖5 疲勞壽命測(cè)試結(jié)果

在TRIP工藝下,材料中的部分奧氏體通過加載時(shí)的應(yīng)力誘發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,從而增加了塑性變形.當(dāng)應(yīng)力卸載時(shí),馬氏體將重新轉(zhuǎn)變回奧氏體.TRIP工藝中的馬氏體轉(zhuǎn)變可以消耗裂紋擴(kuò)展過程中的應(yīng)力集中,并吸收能量,從而有效延緩裂紋的擴(kuò)展速度.因此,適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砜梢钥刂撇牧系膴W氏體含量和形變誘發(fā)相變的有效性,從而影響疲勞壽命.

分析圖5可知,相比110 m/min的退火速度,該工藝下120 m/min的退火速度能夠使3種低合金高強(qiáng)鋼獲得更長(zhǎng)的疲勞壽命.在該退火速度下,仍然是Cu-Ni系復(fù)合高強(qiáng)鋼試樣的疲勞壽命最長(zhǎng).

3 結(jié)論

在低合金高強(qiáng)鋼的研究中,對(duì)退火工藝影響低合金高強(qiáng)鋼的疲勞性能進(jìn)行了深入而詳細(xì)的測(cè)試與分析,取得了創(chuàng)新性的成果,具體結(jié)論如下:

1)相比TRIP工藝、DP工藝,QP工藝能夠使3種低合金高強(qiáng)鋼獲得更長(zhǎng)的疲勞壽命.

2)在各種退火工藝下,更高的退火速度能夠帶來更長(zhǎng)的疲勞壽命.

3)在TRIP工藝、DP工藝下,Cu-Ni系復(fù)合高強(qiáng)鋼試樣的疲勞壽命最長(zhǎng);在QP工藝下,Cr-Mo系復(fù)合高強(qiáng)鋼的疲勞壽命最長(zhǎng).