本文介紹了35CrMo鋼拉桿顯微組織與性能的關(guān)系。研究了帶狀偏析、網(wǎng)狀鐵素體、粗大晶粒等組織狀態(tài)對力學(xué)性能的影響。采用金相法分析了鋼拉桿校直出現(xiàn)斷裂的原因。鑒于原材料存在帶狀組織偏析,平鐓加熱組織粗大、鐵素體網(wǎng)狀分布等組織缺陷,在拉桿淬火加熱前應(yīng)增加一道正火或退火工序。通過細(xì)化晶粒,消除網(wǎng)狀鐵素體和帶狀組織,可進(jìn)一步提高拉桿的力學(xué)性能。
鋼拉桿應(yīng)用于大型建筑的框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)技術(shù)要求,鋼拉桿的抗拉強(qiáng)度sb≥750Mpa,屈服強(qiáng)度ss≥ 550Mpa,伸長率d≥17%,斷面收縮率y≥50%,沖擊韌度AK≥50J。為了滿足強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率和沖擊功要求,鋼拉桿選用35CrMo鋼,直徑為100mm,長度為6m。拉桿連接采用螺紋連接方式,在鋼拉桿的兩端,通過加熱和平鐓工藝使其直徑達(dá)到120mm。加工好螺紋后,擬選用850℃加熱淬火,550℃回火的熱處理工藝達(dá)到其強(qiáng)度等技術(shù)要求。熱處理后對該材料的試件進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn),試件的拉伸強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率達(dá)到技術(shù)要求,但沖擊韌度不足。另外,在鋼拉桿鐓粗過程中,出現(xiàn)了彎曲變形。為了校直拉桿,采用1000噸壓力機(jī)校正時,拉桿在變徑處出現(xiàn)斷裂,見圖1。
圖1 鋼拉桿斷裂形貌(宏觀照片0.5×)
為了尋找失效原因和解決塑性、韌性低的問題,對拉桿的原材料、熱處理工藝和熱處理前后的金相組織進(jìn)行了分析。
1.材料與試驗(yàn)方法
1.1原材料化學(xué)成分分析
用化學(xué)滴定法分析原材料化學(xué)成分并對比國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3077,其結(jié)果如表1所示。
表1 35CrMo 鋼原材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) %)
Table 1 chemical composition of 35CrMo steel
C SI Mn Cr Mo S P |
標(biāo)準(zhǔn)成分 0.32-0.40 0.17-0.37 0.40-0.70 0.80-1.10 0.15-0.25 ≤0.035 ≤0.035 化驗(yàn)成分 0.40 0.31 0.55 1.05 0.21 0.008 0.018 |
1.2金相試樣制備
用金屬帶鋸機(jī)在原材料和平鐓后、校直斷裂件上取樣,取樣部位:距中心25mm處沿縱、橫截面取樣。用Q-100試樣切割機(jī)在熱處理后的試件沿縱、橫截面取樣。用DMP-3A10自動研磨拋光機(jī)制備金相試樣,并用硝酸酒精溶液腐蝕出金相組織。
1.3洛氏硬度和顯微硬度測量
采用HR150測量零件宏觀硬度。
采用MH-6顯微硬度計(jì)測量顯微硬度(載荷砝碼200g,保持時間5s)。
1.4拉伸與沖擊試驗(yàn)
在原材料上取樣,加工出拉伸試樣和沖擊試樣,熱處理后,進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)。
2.結(jié)果與分析
2.1 原材料顯微組織及帶狀級別判定
取樣部位:距中心25mm處,金相觀察縱截面金相組織為珠光體與鐵素體,呈連續(xù)帶狀分布,帶狀組織達(dá)到5級(按GB/T13299-1991 C系列評級標(biāo)準(zhǔn))。組織中鐵素體晶界清晰可見,珠光體帶寬窄不一,見圖2。
圖2拉桿縱截面金相組織(100×)
橫截面金相組織為鐵素體+珠光體,各占約50%,晶粒較粗大。按GB6394-1986晶粒度為4—5級,見圖3。
圖3拉桿橫截面金相組織(100×)
2.2 平鐓后校直斷裂件顯微組織及帶狀級別判定金相觀察表明,試樣縱、橫截面金相組織基本相同,鐵素體在珠光體周圍成網(wǎng)狀分布,并有輕微的魏氏組織,按GB/T13299-1991評級標(biāo)準(zhǔn)為1級,珠光體為細(xì)片狀,且組織粗大。試樣縱、橫截面的晶粒度均為2級。見圖4。
圖4 斷裂件金相組織(100×)
2.3 直接淬火+回火試件金相分析
對原材料未加任何處理直接加熱850°C淬火,經(jīng)550℃回火,觀察金相組織有明顯的顏色差別,試樣的縱截面有帶狀組織偏析痕跡,黑白帶狀區(qū)域分明,見圖5。試樣的橫截面也有明顯的塊狀黑色組織分布痕跡。白區(qū)保留明顯的馬氏體位向,顯微硬度為287HV(30HRC)(載荷200g,保持時間5s) 黑區(qū)無馬氏體位向,顯微硬度362HV(39HRC)。
圖5淬火+回火后試樣金相組織(100×)
2.4 正火+淬火及回火試件的金相分析
將有帶狀組織的原材料進(jìn)行正火處理,正火后的金相組織為等軸晶粒的鐵素體和珠光體,晶粒度6級。采用加熱850°C淬火,經(jīng)550°C回火后得到均勻的索氏體組織,形貌見圖6。顯微硬度362HV(39HRC)。
圖6正火+淬火+回火后的試件金相形貌(500×)
2.5 拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果
在原材料上取樣,加工出拉伸試樣和沖擊試樣,熱處理后(直接淬火及回火,正火+淬火+回火)進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)。
表2試樣熱處理后拉伸與沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(平均值)
Table 2 Experimental data on pull test and impact test of the samples after heat treatment (average data)
工藝 sb ss d5 y AK 編號 Mpa Mpa % % J |
1 750 550 17 50 50 2 820 615 17.5 60 40 3 1200 950 18 65 100 |
注:1;鋼拉桿的技術(shù)要求2直接淬火及回火試樣;
3.正火+淬火+回火試樣
3.討論
35CrMo鋼在高溫下具有高的持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度,低溫韌性好,具有高的靜強(qiáng)度、沖擊韌性和較高的疲勞強(qiáng)度,淬透性良好,無過熱傾向,淬火變形小,冷變形時塑性尚可,切削性能一般,但有第一類回火脆性。焊接性能不好。
3.1 該鋼拉桿原始組織沿軋制方向(試樣的縱截面)存在較嚴(yán)重的帶狀組織。該狀態(tài)對材料的塑性和韌性有較大的影響(各向異性)。直接淬火和回火后,試樣的縱截面仍保留明顯的帶狀特征,黑白條狀區(qū)域明顯(圖5),組織顯微硬度出現(xiàn)差異。根據(jù)組織形貌和顯微硬度可斷定,出現(xiàn)黑、白區(qū)是碳濃度分布不均勻,從而造成硬度不同。這表明直接采用淬火回火工藝并不能消除帶狀缺陷,并對性能會產(chǎn)生不利的影響。試驗(yàn)表明,在淬火前增加一道正火工序,可消除帶狀缺陷(圖6)。
3.2 校直過程中,鋼拉桿變徑處斷裂主要由于平鐓前局部加熱溫度過高(工件表面氧化皮嚴(yán)重),造成組織粗大,晶粒度達(dá)到2級,脆性增大。組織中鐵素體呈網(wǎng)狀分布(圖4),有輕微的魏氏組織形貌,使得晶粒間的強(qiáng)度大大降低,校直時造成沿晶斷裂,圖1中結(jié)晶狀斷口形貌可以證實(shí)這一點(diǎn)。出現(xiàn)此類情況,應(yīng)采用細(xì)化晶粒的退火或正火處理加以解決。
3.3 該材料直接淬火后550℃回火,抗拉強(qiáng)度820Mpa,沖擊功僅40J。通過正火處理,消除了帶狀組織,細(xì)化了晶粒。淬火+回火后,材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到1200Mpa, 沖擊功達(dá)到100J,滿足了技術(shù)要求。
4.結(jié)論
本文所研究的原材料帶狀組織偏析嚴(yán)重,使材料承載能力具有明顯的方向性。原始材料存在帶狀組織缺陷,調(diào)質(zhì)處理前不進(jìn)行消除帶狀組織處理,沖擊功不能滿足技術(shù)要求。平鐓前局部加熱溫度過高,組織中鐵素體呈輕微的魏氏組織形貌網(wǎng)狀分布,使得晶粒間的強(qiáng)度大大降低,脆性明顯增大,是校直時造成了沿晶斷裂的主要原因。平鐓后增加正火工藝,細(xì)化了晶粒、消除了網(wǎng)狀鐵素體和帶狀組織,再經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,提高了材料的力學(xué)性能,滿足零件技術(shù)要求。
文章的PDF格式及相關(guān)文章的PDF文件下載:
35CrMo鋼調(diào)質(zhì)處理工藝的改進(jìn).pdf