Si对高强度高韧性贝氏体钢冲击磨损性能的影响

组织与性能

Si对高强度高韧性贝氏体钢冲击磨损性能的影响

陈颜堂1,方鸿生1,白秉哲1,杨志刚1,李　琪1,侯传基2,高　凡2

721006)

(1.清华大学材料科学与工程系,北京100084;2.宝鸡桥梁厂,陕西宝鸡

摘要:研究了碳含量(质量分数,下同)为0.25%,含Si量分别为0.34%和1.45%的两种高强度贝氏体钢的冲击磨损行为。结果表明,在冲击磨损试验条件下,含1.45%Si贝氏体钢表现出较为强烈的加工硬化特性,经冲击磨损试验后表面更为粗糙,其抗冲击磨损性能低于含0.34%Si贝氏体钢。经约2700次冲击磨损试验后,前者的磨损失重比后者的约高50%。关键词:硅;贝氏体钢;冲击磨损中图分类号:TG142.33;TG142.1　　文献标识码:A　　文章编号:0254-6051(2001)08-0005-03

EffectofSilicononImpactWearBehaviorofHighStrengthand

HighToughnessBainiticSteels

CHENYan-tang1,FANGHong-sheng1,BAIBing-zhe1,YANGZhi-gang1,LIQi1,

HOUChuan-ji2,GAOFan2

(1.DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;

2.BaojiBridgeGirderPlant,BaojiShanxi721006,China)

Abstract:Theimpactwearbehavioroftwohigh-tensile-strengthbainiticsteelswithcarboncontentof0.25%andsiliconcontentof0.34%and1.45%,respectively,hasbeeninvestigated.Theresultsshowthat1.45%Sibainiticsteelhassevereworkhardenabilityandexhibitslowerresistancetoimpactwearthan0.34%Sibainiticsteel,anditstestedsurfaceappearsrougherthanthatof0.34%Sibainiticsteel.Thewearlossoftheformeris50%higherthanthatofthelatterafterabout2700impacts.Keywords:silicon;bainiticsteel;impactwear

　　20世纪80年代至今,Si的合金化对贝氏体钢的组织及性能的影响受到了国内外学者的普遍关注。由于Si是非碳化物形成元素,在贝氏体转变过程中可抑制碳化物的析出,从而使贝氏体铁素体板条之间形成稳定的奥氏体薄膜,这种无碳化物贝氏体组织在静载荷下往往表现出高的强度和韧性。黄维刚和Clayton等[1,8]认为无碳化物贝氏体组织在静载试验条件下具有良好的抗磨损性能。但在高应力反复冲击磨损的条件下,磨损失重主要是由于表面疲劳裂纹萌生、扩展导致表面金属剥落[9],并与表面加工硬化速率密切相关,加工硬化速率快,达到饱和变形量的时间就短,表面变形层中易形成裂纹,产生表面疲劳磨损。而钢中的硅显著强化了铁素体,提高了强度,当钢中含Si量较多时会降低塑性和韧性,在冲击磨损过程中,导致较快的磨损失重。另一方面,在高应力反复作用下,含Si钢中富碳的残留奥氏体就会转变成为高碳马氏体[10],从而影响冲击磨损性能。本文主要讨论了两种空冷贝氏体钢(含硅量为0.34%和1.45%)在高应力动载荷下的磨损行为,研究冲击应力反复作用下Si对磨损性能的影响。

[1～7]

号为H6的试样含Si量为0.34%,其他合金元素含量均相同。两种试样在900±10℃奥氏体化15min,空冷至室温,最后在200～280℃回火2h以减少残余应力。冲击磨损试验设备为改造后的落球试验机,直径为 100mm的磨球从3.5m的高度自由落下,冲击与水平面呈45°放置的试样表面,冲击能量为140J。每冲击30次称重一次,称前用酒精将试样清洗干净,去除试样表面污物,烘干后称重。以累计失重衡量试样的抗冲击磨损能力。用扫描电镜(SEM)观察试样磨损表面,用Taysurf-5-120型表面形貌仪测试表面粗糙度。

2　试验结果及分析

2.1　力学性能

两种试验钢的力学性能见表1,由表1数据见,所研制的空冷贝氏体钢不仅具有高强度,而且具有良好的冲击韧度。加入1.45%的Si后,BSD钢的抗拉强度提高并不显著(约10MPa),但显著提高了屈服强度(约150MPa),塑性指标相近,冲击韧度低于H6钢。

表1　两种试验钢的力学性能

Table1　Themechanicalpropertiesoftwoexperimentalsteels

钢号Si(wt%)σb/MPaBSDH6

1.450.34

16151605

σ0.2/MPa14901340

δ%)Χ(%)α5(KU/J·cm13.013.5

51.051.5

8498

-2

1　试验过程

本研究工作所采用的试验材料是在清华大学发明的Mn-Si-B系贝氏体钢的基础上,适当添加Cr、Ni和Mo等合金

元素,以进一步提高钢的综合力学性能,适应恶劣工况条件。在50kg真空感应炉冶炼并浇铸成形,加工成40mm×40mm×15mm的试验试样。两种试样的含碳量(质量分数,下同)均为0.25%,表1中标号为BSD的试样含Si量为1.45%,标

作者简介:陈颜堂(1965—),男,湖北人,讲师,博士生,主要从事贝氏体钢及其性能和摩擦磨损等方面的研究,发表论文10余篇。联系电话:(010)62772976收稿日期:2001-02-12

[11]

2.2　冲击磨损失重与冲击次数的关系

两种试验钢的冲击磨损失重与冲击次数的关系见图1。由图1可见,在冲击磨损试验开始阶段(图中冲击次数1200

次以前),BSD和H6钢的磨损失重相近,冲击次数在1200～1600之间,BSD钢的磨损失重比H6钢略高。冲击次数超过1600次后,BSD钢的磨损失重明显高于H6钢,从拟合直线

《金属热处理》2001年第26卷第8期5图1　两种试验钢冲击磨损失重与冲击次数的关系Fig.1　Impactwearlossvsthenumberofimpactsof

twoexperimentalsteels看,BSD钢的直线斜率比H6钢的大,在整个冲击磨损试验过程中,H6钢的抗冲击磨损能力优于含1.45%Si的BSD钢,尤其在冲击次数超过1600次后,H6钢的抗冲击磨损能力显著优于BSD钢。

图3　两种试验钢冲击磨损后的表面粗糙度Fig.3　Thesurfaceroughnessoftwoexperimentalsteels

afterimpactwear

(a)bainiticsteelBSD　(b)bainiticsteelH6

2.3　冲击磨损表面形貌

BSD试验钢经冲击磨损试验后的表面形貌见图2。由图

2a可看出,在反复冲击载荷作用下,磨损表面除了存在被凿削的犁沟外,还存在大量剥落掉块,磨损失重主要是由于表面剥落所致。图2b可以清楚地说明表面剥落的过程,由于高应力反复作用,表面形成加工硬化层,即“白层”,裂纹在白层中产生并近似与表面平行地扩展,扩展一定距离后又回到表面,导致表面剥落。H6钢冲击磨损后具有相似的表面形貌。

图4　磨损面下部显微维氏硬度的分布

Fig.4　Microhardnessdistributionbelowthewornsurface

2.5　亚表面显微维氏硬度

两种试验钢的磨损表面到亚表面的显微硬度梯度见图4。由图4可以看出,两种试验钢在冲击磨损试验后均产生严重的加工硬化,变形层的厚度约为0.38mm。经冲击磨损后,BSD钢的加工硬化程度比H6钢更为显著,表面硬度约1080HV,而H6的的表面硬度约800HV。

　　在反复冲击载荷作用下,表面磨损的过程实际上是表面疲劳的过程[9]。由于周期性外力的作用,表面形成应力应变积累,达到一定冲击次数后,应变量达到饱和,应变能力衰竭,就会以裂纹的方式释放外界提供的能量[12],随后在外力作用下,裂纹扩展导致表面剥落。

试验结果表明,对于中低碳低合金钢,合金元素硅对冲击磨损性能影响较大,含0.34%Si的低合金空冷贝氏体钢的抗冲击磨损性能优于含1.45%Si的空冷贝氏体钢。有研究认为[10],随着Si含量从0.6%提高到1.8%,抗冲击磨损性能提高。但试验条件有所不同,其中之一就是本试验冲击次数近2700次,前者冲击次数仅为120次,可能没有完全反映出材料的抗冲击磨损性能。另外,Si显著地强化铁素体,每1%Mn使铁素体屈服强度提高33MPa,而每1%Si使铁素体屈服强度提高85MPa,Si的固溶强化作用在常用置换式固溶元素中居首位,固溶于铁素体中的Si的原子半径与Fe原子半径差别较大(Fe和Si的原子半径分别为0.124和0.146nm)使铁素体点阵结构发生畸变,在外力的作用下,加工硬化速率快,达到饱和应变量的时间短,相应地,裂纹就会较早地产生并形成表面剥落。

根据前述2.3的分析,冲击磨损失重主要是由于表面剥落所至,而剥落又是主要产生于表面硬化层,表面硬化层的变

图2　BSD钢冲击磨损试验后表面(a)和纵剖面

(b)的SEM形貌

Fig.2　SEMimagesofwornsurface(a)

andlongitudinalsection(b)ofsteelBSD

2.4　表面粗糙度

用Taysurf-5-120型表面形貌仪测试了两种钢经过冲击

磨损试验后表面的粗糙度(见图3)。图中Ra表示评定长度内中线上、下高度偏差的算术平均值,代表粗糙度;Rq表示中线上、下高度偏差的几何平均值;Rp为最大波峰的高度,Rv为最大波谷的高度,Rt为波峰波谷之差。由图3可以直观地看出,BSD钢的表面粗糙度比H6钢的要大,经冲击磨损试验后,BSD钢表面比H6钢表面明显粗糙,说明BSD钢表面磨损失重比H6钢更为严重。

6《金属热处理》2001年第26卷第8期形量达到饱和值时就会萌生裂纹,裂纹扩展导致剥落。由图1试验结果可推断出,含1.45%Si的BSD贝氏体钢在高应力反复冲击磨损条件下,随着应变量的逐步积累,加工硬化速率高于H6钢,达到饱和变形量后就会以形成裂纹的方式释放外载荷施与的能量,因而BSD钢的冲击磨损速率高于H6钢。可见Si在加工硬化过程中的作用较为明显,它提高材料的加工硬化速率,在高应力反复冲击磨损过程中,加速磨损失重。

在静态载荷作用下(如拉伸、冲击等),含Si贝氏体钢中的残留奥氏体具有良好的机械稳定性,甚至具有良好的热稳定性[2,7],因而具有良好的抗拉强度和韧性,但在高应力反复载荷作用下,这些富碳残留奥氏体就会发生应变诱发马氏体相变,这种马氏体为高碳未回火的马氏体,降低材料的韧性。图5是含硅贝氏体钢BSD钢冲击磨损试验前后表面X-Ray衍射结果,由图5(a)可以看出,冲击磨损试验前,BSD钢有明显的奥氏体衍射峰,经计算,残留奥氏体含量约为7%。而冲击磨损试验后,磨损表面的X-ray衍射图上没有奥氏体衍射峰,说明表面变形层中的残留奥氏体已全部转为马氏体。没有残留奥氏体的表面变形层硬度高,易萌生裂纹,形成表面剥落。BSD钢由于含有1.45%Si,因而其残留奥氏体的含量高于0.34%Si的H6钢,冲击磨损试验过程中,易形成硬度更高、脆性大的变形层,其表面更易形成磨损剥落。

　　(2)冲击磨损试验后,BSD钢磨损表面中的残留奥氏体全部转变成了马氏体。

(3)含1.45%Si贝氏体钢的冲击磨损速率高的原因可能是:①其加工硬化速率高于H6钢,达到饱和应变量的时间短,裂纹就会较早地形成并产生表面剥落;②其冲击表面的残留奥氏体转变成高碳、未回火的马氏体的同时,产生了微裂纹,促使表面磨损剥落。参考文献:

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Cr3C2-NiCrCoatingsbyPlasmaandHVOFSpraying[J].Wear,

图5　BSD钢冲击磨损试验前后表面X-ray衍射结果

(a)冲击磨损试验前衍射图　(b)冲击磨损试验2700次后衍射图

1997,202:208-214.

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Fig.5　X-RaydiffractionspectrumsofBSDbainiticsteel

before(a)andafter(b)2700impacts

3　结论

　　(1)经冲击能量为140J、冲击次数2500～2700次冲击磨

损试验,结果表明含1.45%Si空冷贝氏体BSD钢的磨损速率高于含Si量为0.34%的H6钢。

退火工艺对Ni/Al复合涂层的组织和力学性能的影响

章　跃,周广宏

(淮阴工学院机械工程系,江苏淮安

223001)

摘要:Ni/Al复合涂层经200℃以上温度退火后,可在Ni层和Al层的交界处形成Al3Ni和Al3Ni2两个稳定相以及Al9Ni2亚稳相。随着退火温度的升高,复合涂层中Ni和Al晶粒的长大使得涂层的强度和硬度降低。摩擦系数从退火前的0.36减小为退

火后的0.27,涂层摩擦性能改善的主要原因是由于金属间化合物相的产生。关键词:Ni/Al复合涂层;退火;组织;力学性能中图分类号:TG174.444　　文献标识码:A　　文章编号:0254-6051(2001)08-0007-03

InfluenceofAnnealingProcessonMicrostructureandMechanical

PropertiesofNi/AlCompositeCoatings

ZHANGYue,ZHOUGuang-hong

(DepartmentofMechanicalEngineering,HuaiyinInstituteofTechnology,HuaianJiangsu223001,China)

Abstract:Therearetwostablephases,Al3NiandAl3Ni2,andametastablephaseAl9Ni2attheinterfaceinNi/Alcompositecoatingsan-《金属热处理》2001年第26卷第8期7