中溫回火溫度對(duì)22MnB5鋼扭力梁疲勞性能的影響

張燕呢,閔永安,陳 榮

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444;2.上海匯眾汽車制造有限公司,上海 201206)

0 引 言

為滿足輕量化要求,管狀扭力梁被廣泛應(yīng)用于汽車后懸架系統(tǒng)[1-2]。管狀扭力梁服役過程中需承受復(fù)雜的彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷作用,應(yīng)具備良好的強(qiáng)韌性和疲勞穩(wěn)定性[3-4]。CP(復(fù)相)鋼或DP(雙相)鋼管狀扭力梁抗拉強(qiáng)度為500～800 MPa,熱成形22MnB5鋼管狀扭力梁抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 500 MPa[5]。然而,22MnB5鋼管狀扭力梁的疲勞壽命離散度較大,最高可達(dá)20萬次,而最低疲勞壽命不足5萬次。此外,高強(qiáng)鋼成形范圍窄,用于制造形狀復(fù)雜的管狀扭力梁時(shí),各部位變形不均勻易產(chǎn)生應(yīng)力集中,使得零件塑韌性降低[6]。22MnB5鋼管狀扭力梁的制造工藝通常為沖壓成形,隨后進(jìn)行淬火和低溫回火。淬火態(tài)22MnB5鋼的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 500 MPa,斷后伸長率在5%～7%,低溫回火后其內(nèi)應(yīng)力部分釋放,而塑韌性相對(duì)不足,疲勞可靠性下降[7]。通過優(yōu)化熱處理工藝來改善零件組織結(jié)構(gòu)和表面應(yīng)力狀態(tài),是提高零件疲勞性能的常用方法[8-10]。噴丸處理可向管狀扭力梁表面引入殘余壓應(yīng)力,從而有效抑制疲勞裂紋擴(kuò)展,提高疲勞性能[9-10]。研究[11-13]表明,22MnB5鋼經(jīng)400 ℃回火后由于基體回復(fù)和碳化物析出,淬火應(yīng)力顯著降低,韌性顯著提升。徐沛瑤等[14]研究發(fā)現(xiàn),沖壓成形CP800鋼扭力梁去應(yīng)力退火后,由于基體回復(fù)與沉淀強(qiáng)化的共同作用,強(qiáng)塑性顯著提高,同時(shí)表面殘余應(yīng)力大幅降低,疲勞壽命延長至未退火態(tài)的1.5倍。另外,軸類零件相關(guān)研究[15]也表明,中溫或高溫回火有助于釋放零件的淬火內(nèi)應(yīng)力,改善零件的疲勞開裂問題。

然而,目前對(duì)于回火溫度對(duì)扭力梁疲勞性能影響的研究較少。為此,作者對(duì)淬火態(tài)22MnB5鋼管狀扭力梁進(jìn)行不同溫度(220,350,400,450,500 ℃)的回火處理,研究了回火溫度對(duì)扭力梁疲勞性能的影響,以期為降低零件殘余應(yīng)力并改善其強(qiáng)韌性,提高扭力梁零件的疲勞壽命及穩(wěn)定性提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為直徑80 mm、壁厚3.5 mm的22MnB5鋼管,由國內(nèi)某鋼廠開發(fā),其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.23C,0.25Si,1.35Mn,0.05Al,0.14Cr,0.007Mo,0.008Ni,0.012P,0.002B,0.001S。將鋼管通過冷成形制成管狀扭力梁,在淬火機(jī)床上進(jìn)行(960±30) ℃感應(yīng)淬火,隨后在保護(hù)氣氛爐中(保護(hù)氣體為氬氣)進(jìn)行回火處理,回火溫度分別為220,350,400,450,500 ℃,保溫時(shí)間為30 min,空冷至室溫。

在回火后試驗(yàn)鋼上切取尺寸為10 mm×6 mm×3.5 mm的金相試樣,經(jīng)研磨、拋光、體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后,采用ZEISS SIGMA 300型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織。采用MH-3型全自動(dòng)顯微硬度計(jì)測(cè)試維氏硬度,載荷為2.94 N,保載時(shí)間為10 s。根據(jù)GB/T 228.1—2010,采用線切割法制取標(biāo)距尺寸為50 mm×12.5 mm的拉伸試樣,如圖1(a)所示,采用MTSC45.305型萬能電子試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸速度為3 mm·min-1。參考GB/T 229—2007,制取尺寸為55.0 mm×10.0 mm×3.5 mm的V2型缺口非標(biāo)沖擊試樣,尺寸如圖1(b)所示,采用PTMS4600型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)溫度分別為室溫,0,-30 ℃。

圖1 拉伸試樣和沖擊試樣的尺寸Fig.1 Size of tensile sample (a) and impact sample (b)

扭力梁總成如圖2(a)所示,包括扭力梁、左右縱臂、套筒、輪轂支架和彈簧盤[16]。根據(jù)扭力梁抗拉強(qiáng)度要求(不低于1 000 MPa),選取350,400,450 ℃回火扭力梁總成(各6組),采用自制扭力梁臺(tái)架進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn),選取220,500 ℃下回火扭力梁總成(各2組)進(jìn)行對(duì)比研究。扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)時(shí),在扭力梁兩端分別加載相位差為180°的正弦波力,位移幅為50 mm,頻率為2 Hz,當(dāng)扭力梁表面裂紋長度大于20 mm時(shí)停止試驗(yàn)并判定失效?；谄谠囼?yàn)結(jié)果,選取淬火態(tài)、220 ℃回火、450 ℃回火扭力梁靠近兩端的薄弱區(qū)域(段Ⅰ和段Ⅱ)進(jìn)行應(yīng)力分析,該區(qū)域截面呈空心V型,如圖2(b)所示。根據(jù)GB/T 7704—2017,采用X350-A型X射線應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)試段I和段II區(qū)域底部外表面(A)、外側(cè)平整小應(yīng)變區(qū)(B)、上部R角處(C和D)4個(gè)部位的表面殘余應(yīng)力,每點(diǎn)測(cè)3次取平均值,殘余應(yīng)力測(cè)試誤差為±20 MPa,準(zhǔn)直管直徑為2 mm,應(yīng)力常數(shù)K為318 MPa,電壓為20 kV,電流為5 mA。

圖2 扭力梁總成及段Ⅰ、段Ⅱ截面形狀Fig.2 Torsion beam assembly (a) and shape of section I and section II (b)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖3可知:220 ℃回火試驗(yàn)鋼組織為回火馬氏體,板條結(jié)構(gòu)清晰可見,板條間析出少量碳化物,原奧氏體晶粒平均尺寸約為8 μm;350 ℃回火后馬氏體分解程度增加,板條間界面處析出大量白色顆粒狀碳化物;400 ℃回火后更多碳化物開始在晶內(nèi)析出;450 ℃回火后碳化物聚集長大,明顯球化,馬氏體板條界面變得模糊;當(dāng)回火溫度升高至500 ℃時(shí),大部分馬氏體已經(jīng)分解,板條特征逐漸消失,晶粒內(nèi)部變得平滑。

圖3 不同溫度回火后22MnB5鋼扭力梁的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at different temperatures: (a-e) at low magnification and (f-g) at high magnification

2.2 力學(xué)性能

由表1可知:隨著回火溫度升高,扭力梁的抗拉強(qiáng)度降低,斷后伸長率增加,當(dāng)回火溫度為500 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度已低于最低抗拉強(qiáng)度1 000 MPa的設(shè)計(jì)要求;350 ℃回火后扭力梁的強(qiáng)塑積僅約為9.9 GPa·%,這是因?yàn)殇撝刑蓟镅鼐Ы缥龀鲈鰪?qiáng)了脆性,導(dǎo)致強(qiáng)度較高而韌性不足;450 ℃回火后扭力梁獲得12.3 GPa·%的高強(qiáng)塑積,高于傳統(tǒng)22MnB5鋼的強(qiáng)塑積(9.0～11.0 GPa·%)[12],這是因?yàn)轳R氏體基體回復(fù)以及碳化物球化,使得基體塑性顯著改善;500 ℃回火后扭力梁強(qiáng)塑積降低,盡管此時(shí)斷后伸長率高,但由于基體顯著軟化,抗拉強(qiáng)度很低。

表1 不同溫度下回火后22MnB5鋼扭力梁的拉伸性能Table 1 Tensile properties of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at different temperatures

由圖4可知:220 ℃回火試驗(yàn)鋼的顯微硬度為430 HV,沖擊吸收功約為84.3 J·cm-2;350 ℃回火后試驗(yàn)鋼硬度下降,但沖擊性能沒有出現(xiàn)明顯變化;450 ℃回火時(shí)由于基體軟化,試驗(yàn)鋼硬度明顯降低至312 HV,沖擊吸收功顯著升高至106.9 J·cm-2;當(dāng)沖擊試驗(yàn)溫度降低至0,-30 ℃時(shí),試驗(yàn)鋼的沖擊吸收功未明顯降低,差異在±11 J·cm-2之內(nèi),表明22MnB5鋼具有較低的低溫沖擊敏感性。

圖4 不同溫度回火后22MnB5鋼扭力梁的硬度和不同試驗(yàn)溫度下的沖擊吸收功Fig.4 Hardness (a) and impact absorbing energy under different test temperatures (b) of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at different temperatures

2.3 殘余應(yīng)力

由圖5可知:淬火態(tài)扭力梁的段I和段II區(qū)域表面整體呈現(xiàn)較高水平的拉應(yīng)力,最大約為250 MPa,除了段II的D點(diǎn)為-225 MPa的壓應(yīng)力,這可能與其周圍材料協(xié)同變形差異有關(guān);220 ℃回火后扭力梁表面應(yīng)力有所釋放,降至-80～150 MPa;450 ℃回火后扭力梁表面的應(yīng)力水平顯著降低,壓應(yīng)力最高達(dá)-120 MPa,拉應(yīng)力最高約為25 MPa。扭力梁段I和段II區(qū)域A、C、D處為大應(yīng)變位置,由于其塑性變形大且材料間變形嚴(yán)重不協(xié)調(diào),其拉應(yīng)力在回火溫度為450 ℃時(shí)才顯著降低;B處為小應(yīng)變位置,不同溫度回火后均轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,應(yīng)力狀態(tài)較好。

圖5 淬火態(tài)和不同溫度回火后22MnB5鋼扭力梁表面的殘余應(yīng)力 Fig.5 Residual stresses on surface of 22MnB5 steel torsion beam after quenching or tempering at different temperatures: (a) section I and (b) section II

2.4 疲勞性能

管狀扭力梁疲勞開裂位置多位于距離邊部325～360 mm的R角處(如圖6所示),裂紋方向平行于軸向,沿扭力梁直線延伸,長度為20～150 mm,說明該區(qū)域?yàn)榕ちα浩诘谋∪跷恢谩?/p>

圖6 220 ℃回火后22MnB5鋼扭力梁疲勞開裂位置示意Fig.6 Schematic of failure position of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at 220 ℃

由圖7可知,350 ℃回火后扭力梁的平均疲勞壽命為(11.5±1.0)萬次,400,450 ℃回火后的疲勞壽命穩(wěn)定且離散度較小,分別為(10.3±2.4),(15.8±2.4)萬次;220 ℃下回火后2組試樣疲勞壽命分別為10.9萬次和18.4萬次;500 ℃下回火后疲勞性能顯著惡化,2組試樣疲勞壽命僅為6.4萬次和9.7萬次?；鼗饻囟扔?20 ℃升至400 ℃,扭力梁疲勞壽命逐步下降,450 ℃回火后扭力梁的疲勞壽命最長,500 ℃回火后疲勞壽命又下降。

圖7 不同溫度回火后22MnB5鋼扭力梁的疲勞壽命Fig.7 Fatigue life of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at different temperatures

扭力梁的疲勞行為與其顯微組織和殘余應(yīng)力密切相關(guān):高強(qiáng)度的馬氏體組織以及淬火引入的局部高水平拉應(yīng)力會(huì)顯著增加疲勞開裂的風(fēng)險(xiǎn)[8]。常規(guī)熱處理22MnB5鋼的晶粒尺寸一般為12 μm[17],感應(yīng)淬火熱處理22MnB5鋼的晶粒細(xì)化,尺寸約為8 μm。在扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)中,均勻細(xì)晶具備更強(qiáng)的協(xié)同變形能力,可有效避免局部應(yīng)力集中。

馬氏體板條界面更容易在切應(yīng)力作用下成為裂紋萌生的薄弱位置[18]。450 ℃回火后22MnB5鋼扭力梁馬氏體分解加劇,板條界面合并減少,裂紋萌生概率降低,并且由于基體軟化和回火碳化物球化,馬氏體基體產(chǎn)生應(yīng)力松弛[19];此外,由于450 ℃回火后扭力梁大應(yīng)變部位的表面殘余應(yīng)力顯著降低,且各部位應(yīng)力分布均勻,因此扭力梁局部早期開裂風(fēng)險(xiǎn)顯著降低,疲勞壽命穩(wěn)定性增加。而220 ℃回火后22MnB5鋼扭力梁中大量馬氏體邊界使其保持較高的強(qiáng)度而塑性不足,在切應(yīng)力作用下容易萌生裂紋[20];并且此時(shí)大應(yīng)變部分整體呈現(xiàn)較高水平的拉應(yīng)力,故其疲勞試驗(yàn)結(jié)果較為離散。500 ℃回火后扭力梁疲勞壽命顯著惡化則主要是由于基體軟化,強(qiáng)度不足而引起的。

3 結(jié) 論

(1) 隨著回火溫度從350 ℃升至500 ℃,22MnB5鋼扭力梁的抗拉強(qiáng)度降低,斷后伸長率增加,強(qiáng)塑積先增大后減小,在回火溫度450 ℃下達(dá)到最大,為12.3 GPa·%。隨著回火溫度升高,22MnB5鋼扭力梁顯微硬度減小,沖擊吸收力增大。隨著回火溫度由220 ℃升至500 ℃,22MnB5鋼扭力梁中的回火馬氏體分解,板條特征逐漸消失,板條間界面處析出的碳化物數(shù)量增多并發(fā)生明顯球化。

(2) 淬火態(tài)扭力梁表面整體呈現(xiàn)較高水平拉應(yīng)力,回火后殘余應(yīng)力下降,且回火溫度越高,下降程度越大。隨回火溫度升高,扭力梁疲勞壽命呈先下降后增再降的變化趨勢(shì),450 ℃回火疲勞壽命最長,達(dá)(15.8±2.4)萬次。

(3) 22MnB5鋼扭力梁的最佳回火溫度為450 ℃,此時(shí)鋼中馬氏體明顯分解,碳化物彌散析出,強(qiáng)塑積最大,殘余應(yīng)力釋放充分,疲勞壽命最長。