低溫形變熱處理也稱亞穩(wěn)奧氏體形變淬火。其工藝過程為:將鋼加熱至奧氏體狀態(tài)后,再急速冷卻至Ac1以下、高于Ms點(diǎn)以上的某一中間溫度,施行鍛壓或軋制成型,隨后立即淬火獲得馬氏體組織(見圖1)。為了獲得強(qiáng)度和韌性的良好配合,一般不希望在亞穩(wěn)奧氏體的形變和隨后的淬火過程中產(chǎn)生非馬氏體組織,因而,過冷奧氏體需要具有足夠的穩(wěn)定性。所以,低溫形變淬火要選擇淬透性較高的鋼材。
▲圖1 低溫形變淬火原理示意圖
低溫形變熱處理的工藝效果,取決于形變熱處理過程中各個(gè)工藝參數(shù)的選擇。這些工藝參數(shù)是:奧氏體化溫度、形變溫度、形變前后的停留時(shí)間和再加熱、形變量、形變方式、形變速度以及形變后的冷卻方式等等。
奧氏體化溫度對(duì)低溫形變淬火效果的影響與鋼的化學(xué)成分有很大關(guān)系。一般規(guī)律是奧氏體化溫度越低,形變淬火后抗拉強(qiáng)度越高,斷面收縮率越大,而延伸率基本保持不變。見圖2、圖3。
▲圖2 0.3%C-3%Cr-1.5Ni鋼奧氏體化溫度對(duì)低溫形變
(91%)淬火回火后拉伸性能的影響(100℃回火)
▲圖3 40CrNiMo鋼奧氏體化溫度對(duì)低溫形變淬火抗拉強(qiáng)度的影響
○-1300℃預(yù)固溶處理 ●-無預(yù)先固溶處理
圖4,為18CrNiW鋼強(qiáng)度和塑性指標(biāo)隨溫度的變化而變化的規(guī)律。可以看出,抗拉強(qiáng)度隨形變溫度的提高而降低,延伸率則緩慢增大。
▲圖4 18CrNiW鋼形變溫度對(duì)形變淬火后拉伸性能的影響
(形變量60%,回火溫度100℃ )
圖5 給出了H11鋼(0.35%C、1.5%Mo、5.0%Cr、0.4%V)形變溫度對(duì)形變淬火回火后的力學(xué)性能的影響。
▲圖5 H11鋼形變溫度對(duì)形變淬火、回火后力學(xué)性能的影響
形變量1-94%,2-75%,3-50%,4-30%
(常規(guī)處理時(shí)抗拉強(qiáng)度2170MPa,屈服強(qiáng)度1680MPa)
可以看到,隨著形變溫度的提高,抗拉強(qiáng)度有降低的趨勢(shì)。而塑性指標(biāo)延伸率、斷面收縮率在400℃-500℃之間有凹陷區(qū),這種現(xiàn)象與藍(lán)脆有關(guān)。
圖6表示了形變溫度對(duì)30CrNiMo鋼力學(xué)性能的影響。
▲圖6 30CrNiMo鋼形變溫度對(duì)力學(xué)性能的影響
(奧氏體化1150℃,形變量50%,
形變淬火后200℃X4h回火)
如果奧氏體穩(wěn)定性高,鋼在奧氏體化后冷卻到形變溫度并保持一段時(shí)間奧氏體不發(fā)生分解,則形變前的這段停留對(duì)低溫形變淬火后的性能沒有影響。
為了獲得理想的強(qiáng)化效果,低溫形變淬火時(shí)的形變量應(yīng)達(dá)到60%以上。在一般低溫形變條件下,一次得到如此大的形變量比較困難。但許多研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),多次形變的累積與一次形變達(dá)到要求量得到的效果幾乎沒有差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。
▼表1 中間加熱對(duì)30CrMnNiA鋼低溫形變淬火力學(xué)性能的影響
▼表2 中間加熱對(duì)H11鋼低溫形變淬火、回火后力學(xué)性能的影響
低溫形變后不一定要立即淬火。事實(shí)上,形變后停留一段時(shí)間不但不會(huì)影響淬火效果,甚至在形變后把鋼件加熱到略高于形變溫度并在此溫度保溫,可以進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度和塑性,詳見表3。這是由于形變后的加熱和保溫,使奧氏體產(chǎn)生了晶粒多角化效應(yīng)。這是多角化而帶來的效果。
▼表3 多角化處理溫度和時(shí)間對(duì)幾種鋼低溫形變淬火后性能的影響
在低溫形變淬火工藝中,形變量是一個(gè)很重要的工藝參數(shù)。一般情況下,形變量越大,對(duì)金屬的強(qiáng)化效果就越好。
圖7,表示了形變量對(duì)0.3%C-3.0%Cr-1.5Ni鋼拉伸性能的影響。由圖可見,抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)隨形變量直線上升,對(duì)延伸率幾乎沒有影響,而斷面收縮率在達(dá)到一定形變量后則稍有下降趨勢(shì)。對(duì)AISI4340鋼而言,每增加1%形變量,屈服點(diǎn)上升5MPa。
▲圖7 形變量對(duì)0.3%C-3.0%Cr-1.5%Ni鋼拉伸性能的影響
(奧氏體化溫度930℃、形變溫度540℃,回火330℃)
形變方式有軋制、擠壓、旋壓、錘鍛、爆炸成型、深拉深。
一般棒材、帶材、板材都采用軋制形變,棒材也可用擠壓方式。直徑<250mm的管材可用旋壓方式,各種鍛件用錘鍛或壓力機(jī)鍛壓成型,直徑<76mm的管材可用爆炸成型,直徑<305mm的管材可用深拉深成型。
研究結(jié)果表明,低溫形變強(qiáng)化效果的差別只和形變溫度和形變量有關(guān),而與形變方式無關(guān)。不同形變方式強(qiáng)化效果的差別是因形變速度引起的材料內(nèi)部溫度變化(即形變溫度變化)所致。見圖8。
▲圖8 壓力機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)速速對(duì)低溫淬火的
VascoMA鋼拉伸性能的影響
(開始擠壓溫度為593℃、649℃,
形變量70%,回火溫度552℃)
形變速度對(duì)強(qiáng)化效果的影響沒有一致的規(guī)律,有時(shí)表現(xiàn)隨形變速度的提高強(qiáng)度下降,有時(shí)又相反。截面較大的工件形變時(shí),由于機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能,心部溫度隨形變速度的提高而迅速增加,強(qiáng)化效果就降低。工件截面不大時(shí),形變速度增加工件溫升不高,使形變溫度大致在恒定溫度下進(jìn)行,從而表現(xiàn)出強(qiáng)化效果。
形變后是否需要立即淬火,取決于過冷奧氏體的穩(wěn)定程度。如果過冷奧氏體足夠穩(wěn)定,不產(chǎn)生非馬氏體組織,形變后的保溫和加熱對(duì)強(qiáng)化效果影響不大,有時(shí)甚至有好的作用(前已敘述)。當(dāng)過冷奧氏體形變中或形變后部分分解成珠光體組織時(shí),則強(qiáng)化效果明顯下降,分解成貝氏體時(shí),強(qiáng)化效果下降幅度小。圖9,表示了非馬氏體組織含量對(duì)低溫形變后拉伸性能的影響。
▲圖9 非馬氏體組織對(duì)H11鋼低溫形變淬火后拉伸性能的影響
●-539℃軋制,形變量75% ○-482℃軋制,形變量75%
■-539℃軋制,形變量25% □-482℃軋制,形變量25%
低溫形變可使馬氏體組織細(xì)化。在一定奧氏體化溫度下,形變量越大,馬氏體越細(xì),鋼的屈服強(qiáng)度越高。圖10,表示出了馬氏體尺寸與屈服強(qiáng)度的關(guān)系。
▲圖10 0.32%C-3.0%Cr-1.5%Ni鋼低溫形變
淬火后屈服強(qiáng)度與馬氏體片尺寸件關(guān)系
(奧氏體化溫度:1-930℃ 2-1040℃ 3-1150℃)
但也不能說馬氏體組織的細(xì)化是在鋼低溫形變淬火后獲得強(qiáng)化效果的唯一原因。實(shí)踐中也有這樣的事實(shí),在不同形變量和不同奧氏體化溫度下,可以獲得相同晶粒尺寸的馬氏體,但屈服強(qiáng)度不同。
低溫形變細(xì)化的馬氏體中有大量位錯(cuò),在位錯(cuò)線上有細(xì)小彌散的碳化物析出,在馬氏體細(xì)片中還存在更細(xì)的的亞晶塊結(jié)構(gòu)。亞晶塊由位錯(cuò)組成,是大量位錯(cuò)聚集的場(chǎng)所。鋼的屈服強(qiáng)度與這亞晶塊的尺寸呈反比關(guān)系。
低溫形變淬火馬氏體的組織是從形變奧氏體繼承下來的。在形變奧氏體中有較高位錯(cuò)密度和在形變中析出的細(xì)小彌散碳化物,說明形變奧氏體起先是處在加工硬化狀態(tài)下的,隨后相變變?yōu)榧?xì)小馬氏體,又在位錯(cuò)聚集處有彌散碳化物析出,這兩者作用表現(xiàn)出了雙重疊加的強(qiáng)化。
鋼在低溫形變淬火時(shí),亞穩(wěn)奧氏體強(qiáng)度隨形變量的增加而不斷上升,當(dāng)形變比例超過40%時(shí),強(qiáng)度上升速度加快,此現(xiàn)象不能單純用位錯(cuò)密度的增加來解釋,而是由析出的碳化物釘扎位錯(cuò)引起的,釘扎位錯(cuò)又引起新位錯(cuò)大量增加,所以強(qiáng)化作用急劇上升。另外,這樣的強(qiáng)化也有較高的耐回火性。
總之,低溫形變淬火所形成的馬氏體含高密度位錯(cuò)和細(xì)小彌散碳化物以及較低的固溶體碳含量,這些是都低溫形變淬火鋼具有高強(qiáng)度,同時(shí)又具有較高韌性和塑性的主要原因。
鋼材化學(xué)成分不同,低溫形變淬火強(qiáng)化效果也不同。影響強(qiáng)化效果的元素是碳。C在0.3%-0.6%(wt)范圍內(nèi),低溫形變淬火后的強(qiáng)度隨含碳量的增加呈直線上升趨勢(shì),延伸率下降不大,斷面收縮率下降稍快。見圖11。
▲圖11 含碳量對(duì)3%Cr-1.5Ni鋼拉伸性能的影響
(奧氏體化900℃,形變540℃,形變量91%330℃回火)
●-低溫形變淬火 ○-普通淬火
鋼材形變淬火后的屈服強(qiáng)度隨形變量的增加而增大,隨含碳量的增加,強(qiáng)化效果更加顯著。詳見圖12、圖13、圖14。
▲圖12 低溫形變熱處理的形變量對(duì)
不同含碳量的鋼屈服強(qiáng)度的影響
——3%Cr鋼 ……SAE4340 ----410不銹鋼
▲圖13 含碳量對(duì)1.86%Cr-2.33%Ni-1.05%Mn-1.03%Si
-1.03%W-0.47%Mo鋼低溫形變淬火抗拉強(qiáng)度的影響
(奧氏體化1000℃,形變550℃,形變量90%,回火100℃)
▲圖14 含碳化物形成元素的H11鋼
和不含碳化物形成元素的Fe-Ni-C合金低溫
形變淬火屈服強(qiáng)度的增加率
碳化物形成元素能顯著提高Fe-Ni-C合金的加工硬化程度,以Mo影響最大,其次是V,再次是Cr,在Fe-Mn-C奧氏體合金上也得到了類似結(jié)果。所以,碳化物形成元素能顯著提高低溫形變淬火馬氏體的強(qiáng)度。表4所列合金的亞穩(wěn)態(tài)奧氏體形變強(qiáng)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表5。
▼表4 實(shí)驗(yàn)合金的化學(xué)成分(wt)
▼表5 碳化物形成元素對(duì)Fe-Ni-C合金力學(xué)性能的影響
非碳化物形成元素Si 能著提高鋼的耐回火性。在0.4%C(wt)的Fe-Ni-Mo鋼中,加入1.5%Si(wt),在形變淬火和200-300℃回火后,抗拉強(qiáng)度可達(dá)到2670MPa。屈服強(qiáng)度達(dá)到2350MPa,而只有0.3%Si(wt)時(shí),分別只有2200MPa和1960MPa。Mn對(duì)提高鋼形變淬火強(qiáng)度沒有貢獻(xiàn),但價(jià)格低,可用來代替Ni 提高亞穩(wěn)奧氏體的穩(wěn)定性,便于施行低溫形變淬火。
低溫形變淬火可提高鋼的耐回火性,即經(jīng)過低溫形變淬火的鋼件加熱到較高溫度尚可保持形變強(qiáng)化效果。圖15,為45CrMnSi鋼在950℃奧氏體化、535℃壓縮形變30%,然后淬油的硬度-回火溫度曲線。由圖可見,形變淬火的鋼在加熱到較高溫度時(shí)尚可保持較高的硬度。
▼圖15 45CrMnSi鋼低溫形變淬火與普
通淬火試樣的硬度-回火溫度曲線
1-低溫形變淬火 2-普通淬火
某些鋼在普通淬火后回火有二次硬化現(xiàn)象,低溫形變淬火這種現(xiàn)象會(huì)消失,這也表明低溫形變淬火后的較高的耐回火性。
a. 拉伸性能。一般情況下,低溫形變淬火比普通淬火能提高強(qiáng)度300-700MPa。表6,列出了一些鋼的低溫形變淬火鋼的拉伸性能數(shù)據(jù)。
▼表6 低溫形變淬火鋼的力學(xué)性能
低溫形變淬火不僅能提高鋼的常溫力學(xué)性能,還能提高其高溫性能。見圖16。
▲圖16 Vasco MA鋼低溫形變淬火
和普通淬火的高溫瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度
(●-91%形變淬火,550℃ ○-普通淬火,580℃回火)
b. 沖擊韌度。目前低溫形變淬火對(duì)鋼的沖擊韌度的影響規(guī)律尚無一致認(rèn)識(shí)。有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明低溫形變淬火可提高某些鋼的沖擊韌度,部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為沒有影響,還有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果正好相反。在≤0.4%C(wt)范圍內(nèi),鋼經(jīng)低溫形變淬火沖擊值普遍比普通淬火低。
c. 疲勞性能。在一般情況下,鋼的疲勞性能極限隨鋼的靜拉伸強(qiáng)度的提高而降低。當(dāng)抗拉強(qiáng)度<1000MPa時(shí),疲勞極限與抗拉強(qiáng)度的比值在0.5-0.6之間,當(dāng)抗拉強(qiáng)度達(dá)到1500MPa高強(qiáng)度狀態(tài)時(shí),疲勞極限與抗拉強(qiáng)度比值變降低到0.3-0.4,而抗拉強(qiáng)度到2000MPa的超高強(qiáng)狀態(tài)時(shí),疲勞極限與抗拉強(qiáng)度之比僅為0.3。通常認(rèn)為:疲勞極限σ-1與抗拉強(qiáng)度σb與斷面收縮率ψ間的關(guān)系為σ-1=ψσb,低溫形變淬火在提高鋼的強(qiáng)度的同時(shí),能使塑性指標(biāo)基本不變。所以,最終表現(xiàn)是疲勞強(qiáng)度得到了相應(yīng)提高。
d. 延遲斷裂傾向。強(qiáng)度在1200MPa以上的高強(qiáng)度鋼,在含H2的介質(zhì)中經(jīng)受靜載荷所引起的應(yīng)力在屈服強(qiáng)度以下,當(dāng)經(jīng)過一定的加載時(shí)間后會(huì)突然脆斷,這就是延遲脆斷現(xiàn)象。而低溫形變淬火能顯著改善鋼的延遲脆斷性能。
e. 斷裂韌度。低溫形變淬火對(duì)斷裂韌度的影響比較零亂,因不同剛才而異,難以做出一致結(jié)論。
f. 各向異性。低溫形變淬火鋼的力學(xué)性能具有方向性,尤其塑性韌性指標(biāo)方向性明顯,橫向低于縱向。
