中國(guó)金屬學(xué)會(huì) 翁宇慶
4 調(diào)質(zhì)鋼的超細(xì)化及提高延遲斷裂的途徑
機(jī)械制造用鋼主要指制造齒輪、軸類(lèi)、連桿、連結(jié)件(螺栓等緊固件)等機(jī)械零件用鋼，大多是中碳鋼和中碳合金鋼，是在調(diào)質(zhì)態(tài)(淬火+高溫回火)熱處理后使用，因此常把機(jī)械制造用鋼，合金結(jié)構(gòu)鋼和調(diào)質(zhì)鋼混合起來(lái)稱(chēng)呼。目前我國(guó)年產(chǎn)量已超過(guò)1500萬(wàn)t(僅45號(hào)碳素鋼就在1000萬(wàn)t／a左右)。
通過(guò)熱處理(調(diào)質(zhì))后，其顯微組織是回火馬氏體+碳化物。通過(guò)對(duì)淬火前的奧氏體超細(xì)化，證明其力學(xué)性能可以提高。與傳統(tǒng)的細(xì)晶熱處理(奧氏體晶粒度在ASTM 8級(jí)左右，即20～30μm左右)相比，當(dāng)細(xì)化至10μm以下，所有的力學(xué)性能(強(qiáng)度、塑性、韌性)都有明顯的改善。采用電致加熱新的熱處理技術(shù)，可以穩(wěn)定地將42CrMo鋼的奧氏體晶粒度細(xì)化至5μm左右。
對(duì)于這類(lèi)鋼，僅僅提高強(qiáng)韌性，或僅僅晶粒細(xì)化不能全面滿(mǎn)足使用要求。例如絕大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)鋼當(dāng)抗拉強(qiáng)度提高到1200MPa后，產(chǎn)生延遲斷裂，如圖13所示。這樣進(jìn)一步強(qiáng)度提高失去了使用價(jià)值，反而造成更大的不安全性。從應(yīng)用看提高疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，提高抗延遲斷裂性能是更重要和更艱巨的課題。抗疲勞性能的提高聯(lián)系著鋼中潔凈度的提高，特別是氧化物大小及分布的變化，它對(duì)生產(chǎn)這類(lèi)鋼的電爐冶金工藝是高難度挑戰(zhàn)，本文不加敘述。提高延遲斷裂強(qiáng)度不僅僅與晶粒細(xì)化有關(guān)，還與鋼中相結(jié)構(gòu)、晶界狀態(tài)有關(guān)。如圖14所示，在我們開(kāi)發(fā)的超細(xì)晶ADFl鋼中[10]，超細(xì)晶能提高延遲斷裂強(qiáng)度比，但是進(jìn)一步的超細(xì)晶化，如圖14中所示奧氏體細(xì)化至2μm時(shí)，它的延遲斷裂比并不比較粗的晶粒尺寸(4μm)好。延遲斷裂實(shí)質(zhì)是氫脆現(xiàn)象，通常以沿晶斷裂形式發(fā)展，因而易在使用時(shí)發(fā)生延遲的脆性斷裂。因此，在超細(xì)晶基礎(chǔ)上，如何強(qiáng)化晶界，增加鋼中的氫陷阱以及減少活動(dòng)氫的濃度是必須同時(shí)考慮的問(wèn)題。本文由于篇幅限制不再介紹，見(jiàn)另文[11]。但其關(guān)鍵思路是：
(1)發(fā)展二次硬化鋼，它比一般調(diào)質(zhì)鋼在高溫回火后強(qiáng)度提高200～400 MPa，為此應(yīng)用了M02C，VC的析出控制；
(2)在采用電致熱處理和循環(huán)熱處理作奧氏體細(xì)晶化熱處理同時(shí)，借鑒HSLA鋼的Nb細(xì)晶化作用；
(3)采用加Mo使Mo偏聚在奧氏體晶界，通過(guò)低能電子衍射和晶界強(qiáng)度計(jì)算證明強(qiáng)化了原子相的晶界；
(4)充分應(yīng)用V、Ti碳化物的氫陷阱作用。
按其思路，新發(fā)展的新材料已小批量在依維柯(IVECO)汽車(chē)和康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)上作13．9～14．9級(jí)高強(qiáng)螺栓使用，突破了國(guó)際上最高只有12．9級(jí)螺栓鋼的限制。
5 無(wú)碳化物貝氏體／馬氏體復(fù)相鋼(Carbide-Free Bainite／Martensite，CFB／M)的發(fā)展
以30CrMnSi為代表的低合金高強(qiáng)度鋼，它們經(jīng)濟(jì)性好，強(qiáng)度高，在重要工程結(jié)構(gòu)和交通運(yùn)輸、軍事工業(yè)中有大量、長(zhǎng)期的應(yīng)用業(yè)績(jī)。這類(lèi)鋼一般采用中低溫回火熱處理工藝，以充分運(yùn)用回火馬氏體的高強(qiáng)度。但是它的韌性和斷裂韌性有待發(fā)展，特別是氫脆敏感性同樣抗延遲斷裂性能不理想。“973”項(xiàng)目研究并發(fā)展了“無(wú)碳化物貝氏體／馬氏體的復(fù)相鋼，并在其中分布著膜狀富碳?xì)堄鄪W氏體”的思路，涉及開(kāi)發(fā)了系列新鋼種(0．2％-0．25％C，Si從1．0％到2．0％有幾個(gè)鋼種，并有適當(dāng)?shù)腃r、Mn)。
產(chǎn)生B／M復(fù)相組織并同時(shí)存在富碳?xì)堄鄪W氏體，是借助于Trip鋼(Transformation lnduced Plasticity，相變誘導(dǎo)塑性)原理，利用硅的這種作用。硅又是石墨化元素，它的溶解也使貝／馬(B／M)組織抑制碳化物的析出。由于奧氏體(FCC結(jié)構(gòu))比鐵素體(BCC結(jié)構(gòu))溶解氫能力高一個(gè)數(shù)量級(jí)，它可避免活動(dòng)氫的局部高濃度集中產(chǎn)生氫脆，同時(shí)殘奧以膜狀分布在B／M相界區(qū)(圖15)，它極大地提高高強(qiáng)B／M組織的抗裂紋擴(kuò)展能力，既提高了韌性和斷裂韌性。表2是讓C-Si鋼和30CrMnSi鋼處理成相同的抗拉強(qiáng)度(1510～l530 MPa)，發(fā)現(xiàn)新鋼種U20Si有較高的應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂韌性Kiscc和較低的裂紋擴(kuò)展速度。如果同樣的C-Si鋼處理成馬氏體(M)組織或處理為無(wú)碳化物貝／馬組織(CFB／M)，從圖16和表3看，它的斷裂韌性和沖擊功都明顯提高。這說(shuō)明，這一思路為低合金高強(qiáng)度鋼在中低溫回火應(yīng)用條件下開(kāi)辟了一條利用復(fù)相組織在保證高強(qiáng)度(δb≥1 500MPa)條件下提高韌性和耐延遲斷裂特性的新途徑。
為發(fā)展這類(lèi)鋼，必須注意以下問(wèn)題：
(1)由于在中低溫回火，必須處理好抗第一類(lèi)回火脆性能力的設(shè)計(jì)和工藝；
(2)運(yùn)用CFB／M+γ殘大幅度提高沖擊韌性和斷裂韌性，在實(shí)際工藝中必須有高的潔凈度作為基礎(chǔ)以防止夾雜物在高強(qiáng)條件下的裂紋源問(wèn)題。
(3) γ殘既提高抗氫致破壞能力，又提高韌性。但它必須有足夠的熱穩(wěn)定性，能在使用溫度和應(yīng)力下不產(chǎn)生γ－M的相變。
(4)進(jìn)一步提高γ殘富碳薄膜的分布均勻性和進(jìn)一步細(xì)化各類(lèi)組織是進(jìn)一步發(fā)展這類(lèi)鋼的課題。
目前這類(lèi)鋼已有若干試用領(lǐng)域和項(xiàng)目。新建的香港九號(hào)碼頭棧橋用l4.9級(jí)(σb≥1400 Mpa, σs／σb≥0.9)塔吊錨固大螺栓，就是國(guó)際投標(biāo)中決定采用的新材料。
——《中國(guó)金相分析網(wǎng)》
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