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    1. GD鋼組織及低溫沖擊韌性研究

      日期: 2021-03-19  來源:  點擊數:  

        冷作模具鋼中的基體鋼是針對其沖擊韌性不足而開發的,該類鋼雖然具有高的強韌性和較好的耐磨性,但含合金元素總量>10%,因此成本較高。此外,這類鋼淬火溫度區間較窄,一般不能用箱式電阻爐加熱淬火,限制了其在中小企業的推廣使用。GD鋼是針對上述缺陷而研制的新鋼種,現針對GD鋼在不同溫度中使用的要求,研究了淬火+回火后的組織及不同沖擊溫度下的沖擊性能及其機理,以期為實際生產提供指導。


        試驗材料及方法


      GD鋼化學成分

      GD鋼熱處理工藝曲線


        試驗所用鋼的主要成分如表1所示,GD鋼合金元素總量<5%,屬于高強度低合金冷作模具鋼,供貨態為球化退火狀態,從圖1可以看出,其組織由球狀珠光體和不規則形狀的碳化物組成。試驗前,將原尺寸為220mm×22mm×12mm的GD鋼經電火花線切割成尺寸為55mm×10mm×10mm的若干試樣,再進行圖2所示的工藝熱處理。對熱處理后的試樣進行打磨、拋光,采用4%HNO3酒精溶液腐蝕后,利用蔡司金相顯微鏡和TESCANVEGA型掃描電鏡對組織進行觀察,采用HRSS-150型洛氏硬度計測試試樣的硬度,取5個點的平均值作為硬度值。


        采用沖擊試驗機測定GD鋼經過900℃淬火+200℃回火后的沖擊性能,由于GD鋼屬于高硬度脆性材料,采用無缺口的沖擊試樣,尺寸為55mm×10mm×10mm。試驗前把無水乙醇倒入低溫冷卻箱內,調節溫度分別為-60、-40、-20、0、30℃,保持10min后,將試樣迅速放入沖擊試驗機內進行沖擊試驗,再采用TES?CANVEGA型掃描電鏡觀察斷口形貌。


        試驗結果與討論


        1 900℃淬火和200℃回火的GD鋼組織及分析


      900℃淬火的GD鋼組織


        圖3所示為900℃淬火的GD鋼金相組織和掃描電子顯微鏡(SEM)得到的組織形貌,由圖3(a)可知,900℃淬火時GD鋼中存在未溶碳化物,碳化物呈塊狀、圓球狀或點狀分布,從圖3(b)可以看出,GD鋼淬火后基體組織為粗針狀馬氏體和殘余奧氏體,因此淬火后GD鋼組織由馬氏體、殘余奧氏體、碳化物組成。


      900℃淬火+200℃回火的GD鋼組織


        圖4所示為900℃淬火+200℃回火的GD鋼金相組織和掃描電子顯微鏡(SEM)得到的組織形貌,由圖4(a)可知,200℃回火后,碳化物以更細小的形式均勻分布在基體內,并且馬氏體針狀變細,因此其組織為細針狀馬氏體、殘余奧氏體及碳化物。GD鋼碳含量為0.69%,又因為GD鋼中含有Cr、Ni、Mo、V等合金元素,造成共析點左移,因此GD鋼屬于過共析鋼,900℃淬火時易形成針狀馬氏體,同時保留一部分碳化物。GD鋼的馬氏體轉變起始溫度,即Ms點約為200℃,馬氏體轉變終了溫度,即Mf點約為-70℃,因此GD鋼在900℃淬火時,馬氏體轉變不完全,根據參考文獻可知,此時淬火后的組織中存在約15%的殘余奧氏體。200℃回火時,馬氏體中析出部分碳化物,其組織由回火馬氏體和碳化物組成,馬氏體由粗針狀轉成細針狀。


      900℃淬火GD鋼碳化物及能譜


        為了能更好地分析碳化物特征,對淬火和回火組織中的碳化物進行能譜分析。圖5所示是900℃淬火后GD鋼中碳化物能譜,不同碳化物中都含有C、Cr、Fe等元素,并且發現塊狀碳化物中Cr元素的峰值比圓球狀碳化物和點狀碳化物的高,點狀碳化物中Fe元素的能量峰最高。


      900℃淬火和200℃回火GD鋼碳化物及能譜


        圖6所示是900℃淬火+200℃回火后碳化物能譜,其碳化物所含元素的種類和900℃淬火大致相同,只是所含元素的數量不一樣,形狀上發生了改變,從圖6(b)所示碳化物的能譜圖可以看出,Fe元素的波峰值在圓球狀碳化物的能譜圖中明顯更高,說明碳化物中鐵含量更多。碳化物的組成成分中,GD鋼中存在Cr、Ni、Mn、Si、Mo、V、Fe,其中Fe、Cr、Mn、Mo、V屬于碳化物形成元素,從能譜圖上可以看出,只有Fe、Cr兩種元素的能量峰值,可能是由于Mn、Mo、V含量較低而無法在能譜圖上顯現,Fe、Cr元素形成的碳化物可能為Fe3C、Cr23C6或Cr7C3,隨著回火過程的進行,馬氏體固溶度下降,同時析出少量碳化物,因此引起碳化物中Fe元素能量峰值提高。


        1 900℃淬火和200℃回火后GD鋼硬度及分析


      900℃淬火和200℃回火GD鋼硬度


        表 2所示為 900℃淬火和 200℃回火后 GD鋼 硬度值,測試結果表明,GD鋼在900 ℃淬火下硬度平均值約為62HRC,在900℃淬火+200℃回火下硬度平均值約59HRC。淬火后鋼的硬度取決于馬氏體中的含碳量,GD鋼在淬火過程中大部分碳元素隨著淬火而保留在馬氏體中,姚玉環等研究了馬氏體硬度與鋼的含碳量的近似關系,如式(1)所示,C表示鋼的含碳量,由式(1)計算的硬度值為61.99HRC,這與900℃淬火測得的硬度值基本一致?;鼗疬^程中,隨著馬氏體中碳化物的析出,而使硬度下降。



        1 900℃淬火+200℃回火GD鋼低溫的沖擊韌性及斷口形貌分析


        900℃淬火+200℃回火后低溫沖擊韌性結果分析


      GD鋼沖擊功與溫度關系曲線


        圖7所示是900℃淬火+200℃回火工藝的沖擊功與溫度的關系曲線,GD鋼試樣在900℃淬火+200℃回火后進行沖擊試驗時,隨著溫度的降低,其沖擊功隨之減小。沖擊功反映的是材料在沖擊過程中承受能量的大小,與GD鋼中碳化物分布、數量、種類等有密切關系。


        900℃淬火+200℃回火后低溫沖擊斷口形貌分析


      不同溫度的GD鋼斷口宏觀形貌


      不同溫度的GD鋼斷口微觀形貌



        圖8、圖9所示為900℃淬火+200℃回火的GD鋼在-60~30℃時沖擊后的斷口宏觀表面形貌和微觀形貌。從圖8可以看出,不同溫度下的沖擊宏觀斷口形貌類似,分為3個區,即起裂區、裂紋纖維擴展區、瞬間斷裂區。圖8(a)中起裂區和裂紋纖維擴展區界限不明顯,各斷口形貌上呈現明顯的放射性花樣,斷面上不存在代表塑性變形的剪切唇,斷口表面呈顆粒狀,這是因為斷裂會沿著不同的晶體內部的解理面開始,不同晶粒的取向不一致,而使表面呈現顆粒狀。于在松等利用示波沖擊試驗研究裂紋生長和擴展機理時發現,沖擊試樣的斷裂過程可描述為裂紋的萌芽、生長和擴展直至斷裂3個階段。裂紋萌芽和生長過程對應宏觀沖擊斷口的起析表2所示為900℃淬火和200℃回火后GD鋼硬度值,測試結果表明,GD鋼在900℃淬火下硬度裂區,裂紋擴展過程對應宏觀沖擊斷口的擴展區,起裂區和裂紋纖維擴展區面積越大,材料的沖擊性能越好,因此從圖7可以看出,隨著GD鋼試樣所處的環境溫度不斷升高,斷口宏觀形貌中起裂區和裂紋纖維擴展區所占比例越來越大,因此沖擊功越來越大。


        為進一步明確GD鋼在不同溫度下沖擊的斷裂機理,對斷口形貌進行了表面掃描電鏡微觀形貌分析。從圖9可以看出,無論GD鋼在哪種溫度沖擊下,在微觀形貌中都存在解理面、撕裂棱和韌窩,因此GD鋼的斷裂機理為準解理斷裂。圖9(a)中解理面所占的面積較大,大小韌窩分布不均勻,韌窩較淺,且瞬間斷裂區的塑性變形程度最小,因此韌性最差;隨著溫度的上升,從圖9(b)可以發現仍存在明顯的撕裂棱,韌窩小、數量多且分布均勻,但其解理面面積所占比例依然較大,導致脆性較大。圖9(d)、(e)中的解理面所占的比例明顯減少,韌窩數量增加,分布均勻而使韌性增加。從圖9中都可以觀察到撕裂棱,撕裂棱是相鄰的邊界處發生較大的塑性變形時形成的,所以撕裂棱并不是影響韌性的主要因素,韌性主要由解理面和韌窩的面積決定,解理面越少,韌窩數量越多且分布越均勻,說明其韌性越好。


        對比分析了900℃淬火和900℃+200℃回火后GD鋼的組織、硬度以及在900℃淬火+200℃回火時GD鋼的低溫沖擊性能,得出如下結論。

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