真空滲碳熱處理后20cr2ni4a齒輪鋼的氫脆敏感性

真空滲碳熱處理后20cr2ni4a齒輪鋼的氫脆敏感性

許多機(jī)械零件，如齒輪和軸承，在服務(wù)過(guò)程中承受著不可避免的維修條件，如位移、影響和磨損。因此，主要采用低碳鋼和滲透碳等表面活性劑，使零件表面獲得較高的硬度、耐堿性和接觸強(qiáng)度，此外，心臟部也具有良好的耐堿性。一般情況下進(jìn)入材料中的H是有害的，在應(yīng)力的作用下，這些H會(huì)擴(kuò)散并聚集在材料缺陷處，當(dāng)局部H富集濃度超過(guò)臨界H濃度后，裂紋即會(huì)萌生且在應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致脆性斷裂1材料及結(jié)構(gòu)及性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)用料為工業(yè)生產(chǎn)的20Cr2Ni4A鋼棒材，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：C0.18,Si0.23,Mn0.49,P0.007,S0.003,Cr1.53,Ni3.45,Al0.026,Fe余量。首先將棒材改鍛成直徑16mm的圓棒，改鍛工藝為：加熱到1220℃保溫2h，開鍛溫度大于1200℃，終鍛溫度大于900℃，鍛后空冷至室溫。為方便后續(xù)加工對(duì)鍛造圓棒進(jìn)行了高溫回火處理(加熱到670℃保溫5h后空冷)，隨后加工成拉伸毛坯試樣(中間平行標(biāo)距段直徑為5.3mm)。拉伸毛坯試樣分2組按圖1所示進(jìn)行熱處理。一組試樣進(jìn)行淬火+低溫回火處理(QT試樣)：加熱到880℃保溫45min后油淬，隨后加熱到200℃保溫2h后空冷；另一組拉伸毛坯試樣采用WZST-45型真空滲碳淬火爐進(jìn)行滲碳熱處理(滲碳試樣)：首先將試樣在碳勢(shì)C將金相樣品經(jīng)過(guò)切割、打磨、拋光后在體積分?jǐn)?shù)為3%的硝酸酒精溶液中進(jìn)行腐蝕，在AxioScopeA1型正立式金相顯微鏡(OM)下進(jìn)行微觀組織形貌觀察。將試樣在過(guò)飽和苦味酸(侵蝕劑)和洗滌靈(緩蝕劑)的混合溶液中浸泡約30min以顯示原奧氏體晶界，采用NanoMeasurer1.2軟件對(duì)試樣的晶粒度進(jìn)行測(cè)量。采用Dmax2500-VX射線衍射儀(XRD)對(duì)QT試樣及滲碳試樣滲碳層中的殘余奧氏體(RA)進(jìn)行分析。XRD分析采用Cu靶，工作電壓為40kV，電流為150mA，掃描速率為2°/min，掃描范圍(2θ角)為35°～95°。根據(jù)GB/T8362-1987國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算試樣中奧氏體含量，計(jì)算時(shí)選用馬氏體的(200)式中，V利用PHI710型原位掃描Auger探針設(shè)備中配置的電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)對(duì)材料中的組織分布、形態(tài)及尺寸進(jìn)行觀察。EBSD樣品的制備方法為：將厚度5mm的塊狀試樣經(jīng)過(guò)研磨后在較低轉(zhuǎn)速下進(jìn)行機(jī)械拋光，隨后進(jìn)行電解拋光以去除試樣表面的殘余應(yīng)力。電解拋光所采用的溶液為10%HClO采用HXD-1000TMC/LCD型Vickers硬度計(jì)對(duì)拉伸試樣橫截面上從試樣的邊緣至中心每隔0.1mm連續(xù)測(cè)量其Vickers硬度。采用XstressRobotX射線應(yīng)力分析儀對(duì)滲碳拉伸試樣表面及滲碳層內(nèi)(距試樣表面0.3、0.6和1.2mm處)的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試參數(shù)采用Mn靶，管電流6.7mA，管電壓30kV。選擇衍射晶面方位角ψ為0°～45°，光斑2mm。采用SSRT實(shí)驗(yàn)研究試樣的氫脆敏感性。將2組拉伸試樣在0.25mol/LH式中，A在QT試樣和滲碳試樣上分別取直徑5mm、長(zhǎng)25mm的測(cè)氫試樣，在0.25mol/LH2結(jié)果2.1滲碳試樣滲碳層殘余實(shí)際物質(zhì)含量的測(cè)定QT試樣和滲碳試樣的微觀組織OM像如圖2a～c所示?？梢?，QT試樣組織均勻，為低碳回火馬氏體組織；滲碳試樣表層滲碳層組織主要是由高碳回火馬氏體及部分殘余奧氏體組成，心部組織則與QT試樣相同，均為低碳回火馬氏體組織。此外，與滲碳試樣及QT試樣組織相比，滲碳試樣滲碳層組織明顯細(xì)于滲碳試樣心部和QT試樣的組織。這可進(jìn)一步由2組試樣的原奧氏體晶粒差異所證實(shí)。QT試樣原奧氏體晶粒尺寸為(17.9±2.6)μm，滲碳試樣滲碳層的原奧氏體晶粒尺寸為(11.9±1.7)μm。圖2d為QT試樣及滲碳試樣滲碳層的XRD譜。根據(jù)XRD測(cè)定可得滲碳試樣滲碳層中的殘余奧氏體含量約為13.8%(體積分?jǐn)?shù)，下同)，此結(jié)果與前期結(jié)果為進(jìn)一步明確試樣中殘余奧氏體的尺寸及其分布情況，采用EBSD技術(shù)對(duì)2組試樣進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖3所示，圖中紅色表示fcc相(殘余奧氏體)。可見，滲碳試樣滲碳層中的殘余奧氏體含量遠(yuǎn)高于滲碳試樣心部和QT試樣，后2者的殘余奧氏體含量基本一致。其中，滲碳試樣滲碳層內(nèi)殘余奧氏體主要呈塊狀分布在原奧氏體晶界及板條界處，且尺寸分布范圍廣，殘余奧氏體平均尺寸為(0.73±0.39)μm，而滲碳試樣心部和QT試樣中的殘余奧氏體十分細(xì)小，尺寸分布范圍窄，平均尺寸分別為(0.21±0.09)μm和(0.20±0.06)μm。2.2滲碳試樣殘余應(yīng)力圖4a為QT試樣及滲碳試樣橫截面上的硬度分布。對(duì)于滲碳試樣而言，其硬度最大值(696.0HV)出現(xiàn)在試樣表面處；此后隨著距試樣表面距離的增大，硬度逐漸降低，這主要與滲碳層中含C量存在一定梯度有關(guān)，最終試樣心部硬度約為440.6HV，并保持恒定。一般規(guī)定從試樣表面至550HV處的垂直距離即為有效滲碳層厚度采用逐層剝離法檢測(cè)了滲碳試樣距表面不同位置(0、0.3、0.6和1.2mm)處的殘余應(yīng)力大小，結(jié)果如圖4b所示?？梢姡瑵B碳試樣殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，最大殘余壓應(yīng)力位于試樣表面，為-615MPa；此后殘余應(yīng)力絕對(duì)值逐漸降低，距試樣表面0.3、0.6和1.2mm處的殘余應(yīng)力分別為-427、-121和-2MPa。這表明，在距試樣表面距離大于1.2mm時(shí)不存在殘余壓應(yīng)力，即滲碳試樣在滲碳層內(nèi)存在殘余壓應(yīng)力，而在滲碳層以外的區(qū)域幾乎不存在殘余壓應(yīng)力。根據(jù)殘余應(yīng)力的檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可得到殘余壓應(yīng)力(σ2.3殘余h含量測(cè)定QT試樣及滲碳試樣在相同充氫條件下進(jìn)行電化學(xué)充氫，分別檢測(cè)充氫后放置不同時(shí)間后試樣中的殘余H含量，結(jié)果如圖5所示。QT試樣和滲碳試樣充氫后立即測(cè)定的H含量分別為2.53×102.4氫脆色試樣的加工圖6為QT試樣和滲碳試樣的充氫與未充氫樣的典型SSRT拉伸曲線，有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的匯總見表1?？梢?，QT試樣未充氫前的抗拉強(qiáng)度為1462MPa，斷后伸長(zhǎng)率為16.4%，斷面收縮率為62.2%，呈現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性配合。滲碳試樣未充氫樣的抗拉強(qiáng)度高達(dá)1968MPa，較QT試樣提高了34.6%，但其塑性很低，斷后伸長(zhǎng)率及斷面收縮率較QT試樣分別降低了66.5%和92.4%。QT試樣充氫前后的強(qiáng)度幾乎沒有差別，充氫試樣斷裂發(fā)生在屈服之后并存在一定的頸縮現(xiàn)象，斷后伸長(zhǎng)率明顯降低，根據(jù)相對(duì)斷后伸長(zhǎng)率損失可得到QT試樣的HEI為54.3%。滲碳試樣充氫后在屈服之前就發(fā)生了脆性斷裂，幾乎沒有明顯頸縮，因而強(qiáng)度和塑性損失很大，HEI約為90.9%，這表明滲碳處理使20Cr2Ni4A鋼的氫脆敏感性急劇增加。2.5未充氫時(shí)的ssrt斷口分析圖7為QT試樣充氫前后的SSRT斷口SEM像?？梢?，QT未充氫試樣斷口呈現(xiàn)典型的韌性斷裂形貌，斷裂面有較多的韌窩，存在明顯的頸縮現(xiàn)象(圖7a和b)；充氫后QT試樣脆性斷裂傾向性增加，試樣表層脆性區(qū)(圖7c中虛線標(biāo)識(shí)區(qū)域)的斷裂機(jī)制為沿晶+準(zhǔn)解理的混合斷裂(圖7d)，試樣心部則與未充氫試樣一樣為韌窩韌性斷裂。QT試樣的這種斷裂特征與其他高強(qiáng)度馬氏體鋼氫致延遲斷裂的特征基本一致圖8為滲碳試樣未充氫時(shí)的SSRT斷口SEM像?？梢?，斷口主要由3部分組成：裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及最終斷裂區(qū)(圖8a)，各個(gè)區(qū)域的斷裂機(jī)制不盡相同：裂紋源區(qū)為準(zhǔn)解理斷裂(圖8b)，位于有效滲碳層內(nèi)的裂紋擴(kuò)展區(qū)主要為準(zhǔn)解理斷裂(圖8c)，擴(kuò)散斷裂區(qū)則為韌窩韌性斷裂(圖8d)。由于滲碳試樣的滲碳層中為硬脆的高碳馬氏體組織，因而呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂；試樣心部為具有良好韌性的低碳回火馬氏體組織，因而呈現(xiàn)出韌窩狀斷裂形貌。圖9為滲碳試樣充氫后的SSRT斷口SEM像。低倍下與未充氫試樣最大的區(qū)別是在裂紋擴(kuò)展區(qū)出現(xiàn)了一條大體沿滲碳層周向擴(kuò)展的長(zhǎng)裂紋(圖9a和b)，該裂紋兩側(cè)為典型的氫致脆性沿晶斷裂(圖9c和d)。與未充氫試樣類似，斷裂源區(qū)呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂(圖9e)，裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)韌窩韌性斷裂(圖9f)。從圖9b可以看出，長(zhǎng)裂紋距離試樣表面約0.82mm，兩邊的脆性區(qū)(寬度約0.60mm)位于有效滲碳層(有效滲碳層深度約0.87mm)內(nèi)，距試樣表面距離約0.27mm。3討論3.1氫脆的滲碳試樣和環(huán)境穩(wěn)定性能隨著現(xiàn)代冶金技術(shù)的發(fā)展，高強(qiáng)度鋼中的H含量通?？煽刂圃诤艿退?如小于1×10CarneiroFilho等式中，C根據(jù)圖5充氫后的滲碳試樣和QT試樣在室溫環(huán)境下放置不同時(shí)間后的H含量變化，分別進(jìn)行線性擬合，得到二者的擬合曲線方程分別為：滲碳試樣，QT試樣，將式(5)和(6)中的系數(shù)與式(4)中的系數(shù)相對(duì)應(yīng)，即可得到滲碳試樣和QT試樣的D分別為2.5×103.2滲碳層的拉伸模擬氫脆斷裂是材料-環(huán)境-應(yīng)力相互作用而發(fā)生的一種環(huán)境脆化。對(duì)于QT試樣，其組織為低溫回火板條馬氏體+少量殘余奧氏體，強(qiáng)度水平高達(dá)1462MPa，在拉應(yīng)力的作用下，可擴(kuò)散性H通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)展而富集在最大三向拉應(yīng)力區(qū)，從而使原子間鍵合力明顯降低而發(fā)生脆性斷裂，呈現(xiàn)出較高的氫脆敏感性(HEI=54.3%)，該結(jié)果與類似強(qiáng)度水平和H含量的中碳Cr-Mo-V-Nb-(Ni)鋼(具有回火馬氏體組織)基本一致滲碳試樣的整體強(qiáng)度水平高達(dá)1968MPa，其心部強(qiáng)度水平應(yīng)與QT試樣相當(dāng)，因而滲碳層的強(qiáng)度水平應(yīng)該更高。滲碳層具有高碳馬氏體組織和較多的多呈塊狀的殘余奧氏體組織。眾所周知，高碳馬氏體具有很高的氫脆敏感性。奧氏體的尺寸和形狀等因素影響其機(jī)械穩(wěn)定性，奧氏體尺寸越大其穩(wěn)定性越低應(yīng)當(dāng)指出的是，滲碳處理后滲碳層存在殘余壓應(yīng)力梯度(圖4b)，而在壓應(yīng)力作用下難以誘導(dǎo)H的擴(kuò)散富集而產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。對(duì)此，在SolidWorks軟件中建立了類似滲碳拉伸樣的三維模型，之后使用ABAQUS軟件對(duì)模型進(jìn)行單向拉伸變形，模擬結(jié)果如圖11所示。鑒于滲碳層與心部基體界面處附近以內(nèi)為拉應(yīng)力，模擬結(jié)果表明，拉伸過(guò)程中拉應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在滲碳層與心部基體交界附近(有效滲碳層深度0.87mm處)。由于滲碳層與心部的組織及強(qiáng)度存在顯著差異，拉伸過(guò)程中2部分的塑性變形不匹配，因而在2者的交界處應(yīng)力集中最大。圖12給出了滲碳試樣的氫致斷裂機(jī)制示意圖。充氫滲碳試樣中的H絕大部分分布在有效滲碳層內(nèi)的晶界、板條界、位錯(cuò)及殘余奧氏體等缺陷處(圖12a)。在SSRT實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，拉伸應(yīng)力可抵消滲碳層中的部分殘余壓應(yīng)力，因而從有效滲碳層與心部基體交界處(C)開始，滲碳層內(nèi)的拉應(yīng)力自外向內(nèi)逐漸增加(圖12b)。在拉應(yīng)力的作用下，H通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散向應(yīng)力集中處逐漸富集。計(jì)算獲得的滲碳試樣中H最大擴(kuò)散距離約為0.73mm，因而在滲碳層最大拉應(yīng)力處(C)與最大擴(kuò)散距離(A)之間的某一位置(約0.82mm,B)處，當(dāng)應(yīng)力集中等于被富集H降低了的原子鍵合力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致氫致裂紋在該處形核4滲碳試樣的氫脆敏感性分析(1)滲碳試樣滲碳層組織明顯細(xì)于滲碳試樣心部和QT試樣，滲碳試樣滲碳層中的殘余奧氏體含量(約13.8%，體積分?jǐn)?shù)，下同)遠(yuǎn)高于滲碳試樣心部和QT試樣(約4.6%)，主要呈塊狀分布在原奧氏體晶界及板條界處，且尺寸分布范圍廣。滲碳試樣在滲碳層內(nèi)存在殘余壓應(yīng)力，最大殘余壓應(yīng)力位于試樣表面，此后隨距試樣表面距離的增加而呈二次函數(shù)逐漸降低，在滲碳層以外的區(qū)域幾乎不存在殘余壓應(yīng)力。(2)滲碳試樣電化學(xué)充氫時(shí)的H最大擴(kuò)散距離與有效滲碳層厚度(約0.87mm)十分接近，滲碳試樣與QT試樣中的室溫可擴(kuò)散性H含量相當(dāng)，但前者中的非擴(kuò)散性H含量明顯高于QT試樣；滲碳試樣在空氣中放置時(shí)的H擴(kuò)散系數(shù)明顯低于QT試樣，降低幅度約為32%。這主要與前者組織中較多的殘余奧氏體和滲碳體含量有關(guān)。(3)QT試樣呈現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)塑性配合，充氫前后的強(qiáng)度幾乎沒有差別，斷后伸長(zhǎng)率明顯降低，以相對(duì)斷后伸長(zhǎng)率損失表征的氫脆敏感性指數(shù)HEI為54.3%。與QT試樣相比，滲碳試樣的抗拉強(qiáng)度提高了34.6%，但塑性顯著降低，斷后伸長(zhǎng)率及斷面收縮率分別降低了66.5%和92.4%；充氫后在屈服之前就發(fā)生了脆性斷裂，因而強(qiáng)度和塑性損失很大，HEI高達(dá)90.9%。(4)QT試樣充氫后的SSRT斷口中與最大H擴(kuò)散距離大體相當(dāng)?shù)?/p>