兩種高強度彈簧鋼的微觀組織和疲勞性能之間的關系

1、兩種高強度彈簧鋼的微觀組織和疲勞性能之間的關系Jang-Chul Shin a, Sunghak Lee b, Jae Hwa Ryu c摘要：這是對兩種高強度鋼微觀組織和疲勞性能的研究,即含釩和鉻合金鋼和0.84%的碳鋼,用于汽車的膜片彈簧。在固定硬度條件下微觀結構和拉伸強度是疲勞性能的研究焦點。疲勞試驗結果表明，這兩種鋼的拉伸強度接近相同時(超過1400MPa)它們的疲勞極限是相等的,在高溫熱處理之后它們的疲勞極限在奧氏體合金鋼中呈線性下降。這個結果是基于材料的微觀結構參數(shù),如前奧氏體晶粒尺寸、孿生碳化物和馬氏體鋼板的寬度。合金鋼具有較高的拉伸強度，含有少量的碳化物比0.84碳鋼的疲勞性能

2、更好。這些結果表明, 彈簧鋼的疲勞性能可以被預先估計來自拉伸強度、疲勞極限，而不是硬度。1999農(nóng)業(yè)科技有限公司版權所有。關鍵詞：高強度彈簧鋼；疲勞極限；顯微組織；硬度；馬氏體1、介紹彈簧是一種具有較高彈性應變的彈性材料，用于吸收突然施加的壓力，存儲彈性能量吸收的壓力，或減輕施加影響；汽車離合器膜片是一種平板式彈簧狹縫,和功能連接的動力引擎,輪子或削減它，如圖1。汽車的膜片彈簧暴露于重復疲勞周期(超過106個周期)高度的壓力下(40%50%的抗拉強度,因此需要鋼具有優(yōu)良的疲勞性能。大多數(shù)隔膜制造商用易于使用的硬度價值評價疲勞性能1-3。這是基于冷卻、鋼化合金鋼洛氏硬度值(HRc)4550, 當

3、硬度是相同的時候。盡管它們的化學成分不同, 但是隨著疲勞極限的增大,它們的硬度也增加1,2。然而，盡管這兩種鋼硬度相同，但它們經(jīng)過高溫回火后，微觀結構差異很大。此外，同一種鋼的疲勞極限，可能受到拉伸性能參數(shù)的影響，如前奧氏體晶粒、馬氏體、沉淀的大小和形狀以及微觀力學性能。在評估彈簧鋼的疲勞性能時，除了硬度還要考慮微觀結構和機械對熱處理條件。本研究旨在呈現(xiàn)目前用于汽車膜片彈簧50CrV4和SK5-CSP的鋼本質上所需的基本數(shù)據(jù)，建立相對評估的彈簧鋼疲勞性能的操作條件。在室溫下固定硬度高循環(huán)疲勞試驗進行了HRC4445的條件，這是標準的彈簧鋼的目標和結果進行了分析與微觀結構，硬度和拉伸性能的重點。

4、圖1一個汽車離合器和膜片示意圖2、實驗在這項研究中使用的材料是冷軋50 CrV4和SK5-CSP鋼用于汽車隔膜彈簧?；瘜W成分和制備過程都顯示在表格1和2中。50 CrV4是一種添加鉻和釩的合金鋼；前者提高硬化效果4而后者提高沉淀硬化和抗回火能力5-7。SK5-CSP是一種碳含量達0.84%的高碳工具鋼，但是它沒有增加任何合金元素(表1)。為方便起見, 以下50 CrV4鋼被稱為A-Steel,而SK5-CSP被稱作B-Steel。在鋼的制備過程中，這兩種鋼主要分為酸洗、球化、冷軋、表皮光軋,熱處理。其中,球化的順序可能是根據(jù)這種鋼熱軋的厚度而有所不同,最終取決于冷軋硅鋼片的厚度。表1兩種彈簧鋼

5、的化學成分(wt. %) 鋼 碳 硅 錳 磷 硫 鋁 鉻 釩 鐵 A-鋼 0.49 0.29 0.82 0.012 0.004 0.031 1.06 0.11 Bal. B-鋼 0.84 0.18 0.44 0.012 0.003 0.002 0.17 Bal.表2兩種冷軋彈簧鋼的制作過程鋼制備過程A-鋼熱軋(3.5mm)酸洗冷軋(2.5mm)球化(710°C,15h)表面光軋(2.43mm)B-鋼熱軋(4.5mm)酸洗球化(725°C,13h)冷軋(2.75mm)減壓退火(710°C,10h)皮膚通過(2.63mm)圖2. (a)拉伸和(b)疲勞試樣幾何形狀和尺

6、寸(單位：mm)在奧氏體850°C下，A-鋼回火15分鐘和B-鋼回火5分鐘,油淬火、回火在420°C下持續(xù)1小時。為了研究奧氏體溫度對疲勞性能的影響,A-鋼在850、900、950°C下奧氏體化15分鐘,油淬,然后回火1小時，表面硬度是4445 HRc(450°C的情況下奧氏體溫度為900°C,470°C的情況下為950°C)。詳細的熱處理條件見表3。硝酸酒精腐蝕后，用光學顯微鏡觀察微觀結構。在200千伏的加速電壓下使用透射電子顯微鏡（TEM）觀察微觀因素，如馬氏體，滲碳體，不溶性合金碳化物，并詳細檢查碳復型和薄箔的類型和大

7、小。用掃描電子顯微鏡（SEM）來衡量標本有一個2.5毫米的切口，在液氮中斷裂，然后前奧氏體晶粒尺寸大約沿晶面斷裂。平板式的拉伸和疲勞試樣從熱處理鋼加工平行的軋制方向和尺寸如圖2(a)和(b)。拉伸和疲勞試驗標本的設計，測試和數(shù)據(jù)分別遵循ASTM-8規(guī)格和JISZ2275規(guī)格的程序。使用試驗機在5mm/min的速度下進行拉伸試驗。高循環(huán)疲勞試驗，壓縮和拉伸應力完全重復旋轉產(chǎn)生的彎曲（平均應力=0）維持不變。一個日本島津公司的平面彎曲疲勞試驗機，適用于6赫茲的試樣上應力。一旦發(fā)生故障，彎曲通過限制開關自動停止，從而記錄沖程和撓度彎曲周期故障點的數(shù)量。表3兩種冷軋彈簧鋼的熱處理條件鋼奧氏體回火A-鋼

8、850°C,15min油淬火420°C,15min油淬火950°C,15min油淬火420°C,1h450°C,1h470°C,1hB-鋼850°C,15min油淬火420°C,1h3、結果3.1微觀結構圖3中的A和B是兩個冷軋鋼的熱處理前的光學顯微照片。兩種鋼顯示典型的鐵素體矩陣結構分布球狀碳化物球化的結構，但B鋼和A鋼比具有較大的的碳化物和鐵素體晶粒。當它們奧氏體在850°C下淬火,轉化成馬氏體如圖圖4 a和b。幾個球狀碳化物不溶的B鋼奧氏體中有大量的粗球狀碳化物（圖4B），雖然大部分在一個鋼球形碳化

9、物中溶解（圖4a）。在圖中 5A和B中，這些淬火結構的TEM照片顯示，它們有板條馬氏體細碳化物，并可以看出自動回火的形成。雙晶變形也觀察箭頭，雙晶變形表示B鋼具有較高的碳含量。圖5C是在950°C下一個奧氏體鋼淬火的TEM照片。此圖顯示了幾乎相同的板條在850奧氏體化的其他A鋼的馬氏體結構，但包的大小和板條寬度往往較大。圖3.光學顯微鏡照片（A）A和（B）B鋼經(jīng)過冷軋球化后再用3硝酸酒精蝕刻表4列出了從晶斷裂面測量前奧氏體晶粒的尺寸。在相同溫度下奧氏體化, B鋼中的前奧氏體晶粒是A鋼的三倍大。這是因為在A鋼中合金碳化物含有大量奧氏體化后不溶的釩中斷了晶粒的增長，在透射電鏡下

10、碳萃取如圖6A所示。圖6B是不溶合金碳化物的能譜，并證實了釩的大量存在。然而，當A鋼奧氏體化圖4.光學顯微照片（A）A和（B）B鋼在850°C下淬火。注釋:B鋼中有大量的不溶性球狀碳化物。溫度時，它的晶粒尺寸也明顯增加。在420°C淬火之后，有許多恢復錯位的滲碳體沉淀在板條內或板條邊界。如圖7A和B所示B鋼中的滲碳體量是大于A鋼。圖7C是一個透射電鏡顯示A鋼在950°C下奧氏體化,然后在470°C下回火, 從中可以證實，板條寬度和滲碳量隨著奧氏體回火溫度上升而增加。3.2 力學性能表5顯示了兩個彈簧鋼的維氏硬度試驗結果。在冷軋狀態(tài)熱處理前,A鋼顯示比不鋼

11、硬度高，因為A鋼具有良好的鐵素體晶粒和精細的球狀碳化物均勻分布的矩陣。然而,B鋼淬火后顯示硬度較高，這是因為大量的雙晶形成,如圖5B所示。在420°C回火后，兩種鋼的硬度呈同一水平降低,因為不溶合金碳化物在A鋼中使回火慢下來5。當奧氏體化超過850°C時，A鋼硬度增加,表明高溫回火必須保持硬度值在4445之間。表6列出了室溫拉伸試驗的數(shù)據(jù)。在冷軋狀態(tài)下，A鋼具有較高的抗拉強度和屈服強度，但比B鋼的延伸率低。在回火溫度為420°C時,兩種鋼具備相同的抗拉強度,但B鋼的延伸率較高。當奧氏體化溫度提高超過850°C，A鋼的抗拉強度和屈服強度往往會降低，伸長率隨

12、著回火溫度上升而提高。通過維持硬度不變來回決定火溫度，然而，拉伸強度是不同的。圖5.透射電鏡照片顯示（A）和（B）鋼在850下淬火，顯示板條馬氏體基體和雙晶形成（箭頭標記）。（C）是A鋼950°C下淬火的透射電鏡照片圖6.透射電鏡照片(A)是A鋼在850下淬火，顯示出不溶性合金碳化物顆粒的碳萃取。照片（B）是用一個用箭頭表示，在（A）粒子中的能譜。表4前奧氏體晶粒尺寸鋼種奧氏體溫度(°C)前奧氏體晶粒尺寸(µm) A-鋼8509009506.5±0.711.6±1.815.6±2.9B-鋼85020.4±3.43.3 疲勞性

13、能圖8顯示兩種彈簧鋼在850°C下奧氏體化和420°C下回火的SN曲線。疲勞極限是指發(fā)生疲勞斷裂的最小應力水平，這兩種鋼約670MPa，A鋼的疲勞強度高于B鋼。表7所示保持恒定的硬度時，兩種鋼在不同熱處理條件下的疲勞極限。隨著奧氏體化溫度的升高，兩種鋼的疲勞極限急劇的降低，當奧氏體化溫度提高到950°C時，兩種鋼的疲勞極限降低到約570MPa。圖7.透射電鏡照片顯示（A）A鋼和（B）B鋼在850下淬火和420°C下回火，呈現(xiàn)出恢復交錯的滲碳體沉淀物。（C）是A鋼在950下淬火后在470°C下回火的透射電鏡照片。在一定的壓力下，失效周期數(shù)（NF）

14、是裂紋產(chǎn)生周期（Ni）和裂紋擴展周期（NP）的總和。如圖9，在980MPa的高壓力下,觀察裂紋萌生和裂紋擴展點的發(fā)展情況,因此測量,并將結果用圖表表示。雖然兩種鋼的裂紋萌生點相同，但是A鋼失效的疲勞周期比B鋼多出兩倍。它能被發(fā)現(xiàn),高度的壓力下,裂紋擴展周期比裂紋萌生更容易影響其疲勞壽命8。在裂紋增長的最后階段，其速度是非?？斓?，細粒度A鋼的裂紋增長率預計比粗粒B鋼的慢，因為裂縫增長率是取決于斷裂韌性9 細晶組織高于粗粒組織10。圖10 A和B是壓力行程曲線和在疲勞循環(huán)曲線。循環(huán)軟化不是在低應力呈現(xiàn)兩種鋼。隨著壓力的升高，發(fā)生循環(huán)軟化。這是一致的報告，軟化現(xiàn)象只出現(xiàn)在鋼的抗拉強度與屈服

15、強度之比低于1.2時11。這個循環(huán)軟化效果主要發(fā)生在一個沉重的負荷是應用于熄滅鋼和老練,因為重排許多混亂,在鋼在主持由于反復壓力12。沉淀也起到延緩混亂重排的作用13。因此，由于混亂恢復期間回火作用，在B鋼中發(fā)生循環(huán)軟化比A鋼更輕微， B鋼比A鋼具有更高的拉伸強度與屈服強度的比率，即1.16。表5硬度測試數(shù)據(jù)(載重:10kg)鋼種奧氏體溫度(°C)回火溫度(°C)維氏硬度計硬度(VHN)A-鋼_850850900900950950_420_450_470200661458680449716450B-鋼_850850_420187819454表6室溫拉伸試驗數(shù)據(jù) 鋼 奧氏體溫

16、度(°C)回火溫度(°C)屈服強度(MPa)拉伸強度(MPa)伸長(MPa) A-鋼 _ 850 900 950 _ 420 450 470 515 1362 1284 124562814601382134320.26.56.97.3 B-鋼_850_4203411264541147027.09.1圖8.兩種彈簧鋼在850°C下淬火和在420°C下回火的SN曲線,顯示相同的疲勞極限圖9.兩種鋼在850°C淬火和在420°C回火的應力與疲勞循環(huán)4、討論彈簧鋼的疲勞超過105次失效屬于高周疲勞類。Grovre14報道, 疲勞極限隨著抗拉強

17、度增加而增加。根據(jù)他們的報告，抗拉強度低于1400MPa時，疲勞極限范圍是40到60。當抗拉強度是超過1400MPa，疲勞極限是恒定的，在大約700MPa時，拉伸強度和疲勞極限之間的關聯(lián)降低。在強度極高的情況下，不論強度如何增加，疲勞極限都是恒定的，是因為裂縫的高靈敏度使裂縫容易發(fā)展成斷裂2。如圖8所示，當在850奧氏體和420回火時，抗拉強度超過1400 MPa，兩種鋼的疲勞極限大約是670 MPa，結果Grovre的報道相應14。在A鋼在較高的溫度下奧氏體化和回火，拉伸強度低于1400 MPa，疲勞極限隨著拉伸強度而下降，（表7）。因此，考慮到標本表面硬度固定在4445 HRC，

18、評估彈簧鋼的疲勞性能時拉伸強度比硬度更重要。如果抗拉強度超過1400 MPa，疲勞極限恒定在700 MPa左右，抗拉強度低于1400 MPa時，疲勞極限呈線性降低。表7兩種冷軋彈簧鋼的疲勞極限鋼種奧氏體溫度(°C)回火溫度(°C)疲勞極限(MPa)A-鋼850900950420450470670618569B-鋼850420670在圖8中可以看到，合金元素含量高的A鋼有較長的疲勞壽命。這是因為微觀結構的不同，盡管它們的硬度和抗拉強度水平相近。球化過程中形成的球狀碳化物大多溶解，不溶精細含釩合金碳化物的奧氏體晶粒尺寸非常精細，極大地促進鋼結構強度。相反，在B鋼中0.

19、84C碳素鋼相對粗大的碳化物大量形成，他們不能完全溶解，隨后經(jīng)過奧氏體化和回火，形成結構的剩余部分。這些球狀碳化物可以同時覆蓋一個裂紋萌生的缺口和一個中斷裂紋擴展的洞?？梢园l(fā)現(xiàn)，B鋼奧氏體化僅五分鐘，板條馬氏體而不是平板式馬氏體不完全溶解，產(chǎn)生球形碳化物，從而形成矩陣中的碳含量降低。因此，B鋼的奧氏體晶粒及馬氏體板條是大于A鋼，由于碳含量高，形成更多雙晶和滲碳體。盡管它們的硬度和強度相同，但是微觀結構會有明顯的不同，從而導致疲勞性能不同。疲勞裂紋的萌生的主要地點是球形的碳化物或滲碳碳化物，而不是馬氏體基體，因為它們又硬又脆甚至在低應力下容易斷裂。B鋼的碳化物和A鋼比具有較高的體積分數(shù)，表明B鋼

20、裂紋萌生直接影響了其疲勞壽命。因此，如圖9所示，B鋼比A鋼疲勞壽命短，因為B鋼疲勞裂紋萌生和擴展的更快，有更多的滲碳和較大的奧氏體晶粒和板條寬度。A鋼有少量的碳化物精細結構，因此需要相當多裂紋萌生失效的周期?；射撈谛阅芤蕾嚈C械和微觀結構參數(shù)。整體分析這些因素，可以發(fā)現(xiàn)相同的硬度和強度下，含較低的碳化物量和更精細的結構的A鋼整體顯示了更好的抗疲勞性能。然而，相同硬度條件下，A鋼結構變大，并包含更多的碳化物，通過使用較高的奧氏體化合回火溫度，裂紋在碳化物中萌生并很容易沿裂縫擴展，將使疲勞性能惡化。因此，拉伸強度比硬度更能合理地估計彈簧鋼的疲勞性能。為了提高疲勞性能，優(yōu)化合金元素和熱處理條件，并盡

21、可能均勻地分配精細碳化物。5、結論1、A鋼含鉻和釩合金鋼，由板條式回火馬氏體基體與一些雙晶組成，在回火后不溶合金碳化物析出，而B鋼是高碳工具鋼，由寬板條、大量的雙晶、球狀碳化物和滲碳回火馬氏體基體組成。B鋼有比A鋼粗的結構，并有更多的碳化物和雙晶。2、在850下奧氏體化后和在420°C下回火，A鋼和B鋼的拉伸強度超過1400MPa，疲勞極限大約是在670 MPa。然而，疲勞應力越高，A鋼顯示更長的疲勞壽命。3、奧氏體化和回火溫度增加時，拉伸強度減少到低于1400 MPa，疲勞極限也呈線性下降。相同的硬度條件下，拉伸強度比硬度更能合理地估計彈簧鋼的疲勞性能。圖10. A鋼和B

22、鋼在850淬火和在420°C回火的壓力與沖程，在疲勞應力水平較高的循環(huán)下軟化。鳴謝根據(jù)合同號957103-1這項工作得到了浦項鋼鐵公司（浦項制鐵）。作者感謝辜先生的浦項制鐵鉉。參考文獻1 Borik F, Chapman RD, Jominy WE. Trans ASM 1958;50:242.2 Garwood MF, Zurburg HH, Erickson MA. Interpretation of tests and correlation with service, ASM, Metals Park, Ohio 1951;12.3 Scott H. Trans ASM 1956;48:145.4 Thelning K-E. Steel and its heat treatment. 2nd ed. Butterworth and Co., 1984.5 Grange RA, Hribal CR, Poter LF. Metall Trans A 1977;8A:1775.6 Lewellyn DT. Ironmaking and Steelmaking