铬钒奥氏体形变对高强度弹簧钢转变行为的影响外文翻译资料

 2022-06-27 10:06

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铬钒奥氏体形变对高强度弹簧钢转变行为的影响

Gang NIU1 ，Yin-li CHEN1,2,3 ，Hui-bin WU1,2,3 ，Xuan WANG1 ，Mao-fang ZUO2,3 ， Zhi-jun XU1,2,3

（北京科技大学钢铁技术协同创新中心，北京100083;2.北京科技大学工程研究所，北京100083; 3.北京现代交通金属材料与加工实验室，北京100083）

摘要：本文研究含有不同量Cr的高强度弹簧钢在连续冷却过程中的相变行为。同时，运用膨胀测量法和金相硬度法研究了Cr与V以及奥氏体变形组合对转变动力学的影响。结果表明，随着Cr含量的增加，珠光体相变场增大，铁素体相变场变窄，整个相场向右移。加入V后，过冷奥氏体的起始相变温度（Ar3）逐渐升高，但铁素体和珠光体相变区不受影响。此外，马氏体相变的最低临界冷却速率也降低了。还有，与静态CCT曲线相比，动态连续冷却转变（CCT）曲线向左上移动。转变后的组织显示，V和变形的加入不仅改善了整体转变组织，而且降低了珠光体层片间距。合金元素Cr和V提高了弹簧钢的维氏硬度。然而，Cr对马氏体的维氏硬度影响较高，V对珠光体的影响较强。此外，维氏硬度会受奥氏体变形影响，这种情况会变得更加复杂，而且强烈地依赖于转变的微结构。

关键词：弹簧钢;相变;铬;形变;微观结构

随着高速铁路的迅速发展，在高速铁路的弹性钢轨夹具（ERC）中使用的高强度弹簧钢数量在逐渐增加。ERC在服务过程中呈现出相当复杂的压力状态[1-3]。即使在静态或循环荷载较大的情况下，也不允许出现残余塑性变形，并且在卸掉外部荷载后弹簧必须恢复原来的状态。此外，从实际使用和经济考虑的角度来看，疲劳和耐腐蚀性的良好结合是至关重要的。近年来，在已经应用了几种弹簧钢中：如Cr合金[4]，Si-Cr合金[5-7]和Cr-V合金[5-7]，都有着非常高的抗疲劳性。人们普遍认为，在耐候钢中加入低Cu，Cr，Ni和Ti可以提高普通碳钢的耐腐蚀性。此外，有机构报道了Cu和Cr在干燥过程中延缓腐蚀速率的能力[8,9]以及Ti在抑制正方针铁矿形成中的作用[10]。Cu和Cr的有利影响可能归因于它们抑制锈蚀的能力[11]。最近有研究证明Cr合金钢能在氧化物/钢界面形成富含Cr的针铁矿[12]。

此外，微合金化技术在特种钢中得到了广泛的发展。部分技术也应用在弹簧钢[13-16]。特别地，钒是中碳微合金钢中最重要的合金元素。V碳/氮化物（VCN）颗粒促进铁素体和珠光体中的沉淀强化效应[17]。由于VCN或VN颗粒上针状铁素体的优先晶内成核[18,19]，添加V也对韧性有益。这些沉淀物也可以在现有的TiN颗粒和氧化物上成核，形成复杂的包裹体，作为铁素体的成核位点，有助于细化微观结构[20-23]。考虑到铌铁的市场价格比钛铁贵10倍以上，为了开发成本低、附加值高的高强度弹簧钢，本文设计了钒钛微合金弹簧钢。

高强度弹簧钢的持续发展需要了解其转变行为以及这些转变如何受合金元素添加和奥氏体变形的影响。连续冷却转换（CCT）图是一种显示材料转换行为作为热机械控制过程（TMCP）功能的有用方法。本文采用Gleeble-3500热机模拟器，Dil805淬火变形膨胀仪，通过膨胀仪和金相硬度法测定了不同成分的高强度弹簧钢连续冷却转变曲线。通过研究合金元素添加和热变形对CCT的影响，旨在阐明高强度弹簧钢显微组织的形成。这些结果将有利于TMCP和热处理工艺在高性能弹簧钢生产中的实际应用。

  1. 实验过程

本实验中使用的材料，即首先在25kg真空感应熔炼炉中制备四种用于弹簧应用的实验室熔炼中碳钢，随后将铸坯热锻并均化退火。用锻造棒加工变形状态下的试样（HSS，35Cr，35Cr V和85Cr V）和未变形状态（85Cr V）。表1列出了这四种钢的化学成分，分别表示为HSS（变形），35Cr（变形），35Cr V（变形）和85Cr V（变形和未变形）。

表1 实验钢的化学成分 质量％

钢种

C

Si

Mn

S

P

Cu

Ni

Cr

V

Ti

Fe

HSS

0. 51

2. 14

0. 30

0. 004 7

0. 004 5

0. 29

0. 20

——

——

0. 071

Balance

35Cr

0. 50

1. 84

0. 35

0. 004 9

0. 004 5

0. 25

0. 28

0. 33

——

0. 095

Balance

35Cr V

0. 50

2. 09

0. 30

0. 004 8

0. 003 8

0. 27

0. 28

0. 34

0. 17

0. 100

Balance

85Cr V

0. 51

2. 04

0. 31

0. 004 8

0. 003 5

0. 30

0. 28

0. 86

0. 17

0. 076

Balance

使用Gleeble-3500热机械模拟器和Dil805淬火膨胀计进行的热处理在氩气惰性气氛中进行。采用两种热处理模式来模拟热变形和连续冷却时间表（图1）。工艺（a）是热变形计划;试样首先在1150℃奥氏体化300s，然后以10℃/s的冷却速度冷却至960℃，变形约35％，然后在5℃/5分钟的冷却速度冷却至850℃，变形约30％。从960℃开始，最终分别以0.2,0.5,1,2,3.5,5,7,10和20℃/s的恒定冷却速率冷却。工艺（b）是一个未变形的处理工艺;样品在950℃和1200℃下奥氏体化300s，然后冷却到室温（RT），冷却速率在0.2和20℃/s之间。在膨胀计曲线中，类似温度下发生的不同转换通常会重叠。因此，以不同速率冷却的膨胀测量样品的微观结构表征和维氏硬度（HV）测量可以有利于更好地解释两者的不同斜率。在膨胀曲线中绘制了23个曲线，绘制出更精确的CCT图。通过金相技术制备样品，并通过ZEISSAX10光学显微镜（OM）和ZeissULTRA55型场致发射扫描电子显微镜（FEGSEM）观察显微结构。在用体积分数4％硝酸乙醇腐蚀后观察到不同冷却速率后获得的最终微观结构。用HV-1000微维氏硬度计测量维氏硬度值。

（a）热变形工艺; （b）持续冷却工艺。
图1热处理工艺示意图

  1. 结果与讨论

2.1连续冷却转换图

如图2所示，在CCT图中，HSS（变形），35Cr（变形），35Cr V（变形）和85Cr V（变形和未变形）都显示出多层变换曲线。维氏硬度值（图2CCT图中显示的HV）有助于确定CCT图。此外，这四种钢的转变曲线几乎都位于CCT图中没有中间温度区（贝氏体转变）的高温或低温区，尽管这些钢含有不同的合金元素，但如Cr和V在主要转变曲线的温度范围内，形成的微观结构可以包括铁素体，珠光体和马氏体。实验钢中非碳化物形成元素Si的含量很可能很高。硅可显着增加奥氏体的稳定性，并强烈抑制贝氏体的转变[24]。同时，相关研究表明，Mn含量高可促进贝氏体转变[25-27]。但本实验样品的锰含量较低，不利于贝氏体的形成。

（a）HSS钢;（b）35Cr钢;（c）35Cr V钢;（d）变形的85Cr V钢;

（e）不发生变形的85Cr V钢。
图2实验钢的CCT图

通过比较钢HSS和钢35Cr的CCT图，可以看出两者存在显着差异。35Cr钢中铁素体和珠光体相变的最大冷却速率明显降低。对于35Cr钢的CCT图，当冷却速率达到20℃/s时，铁素体和珠光体相变完全终止。35Cr钢的铁素体相变区略有变小，珠光体相变区相对扩大，整个相区向右移动。此外，马氏体相变的最低冷却速率从10℃/s降至7℃/s。对于35Cr V钢的CCT图，与35Cr钢相比，铁素体和珠光体转变的冷却速率范围没有显着差异。但马氏体相变的最低冷却速率从7℃/s降低到5℃/s。

在85Cr V钢的动态CCT图中，铁素体和珠光体的终止冷却速度比以前的钢更低，当冷却速度达到10℃/s时，铁素体和珠光体相变完全停止。85Cr V钢中铁素体和珠光体相变场与35Cr V钢相同;铁素体转变减少，珠光体转变场相对扩大。此外，此外，马氏体相变的最低冷却速度进一步降低至3.5℃/s。在85Cr V钢的静态CCT图中，与动态CCT图相比，相应的相位曲线向右下角略微移动。而奥氏体变形也会导致铁素体相场的减少和珠光体相场的扩大。

2.2转化的微观结构

当冷却速率在0.2〜2.0℃/s范围内时，样品钢的相变组织均由铁素体和珠光体组成，但铁素体和珠光体组分相差较大。因此，以0.2℃/s的冷却速率的SEM显微照片被选为典型代表，如图3-7所示。当冷却速率为3.5〜20.0℃/s时，这些钢的显微组织差异较大，如图3-7所示。在冷速为3.5℃/s时，这些HSS，35Cr和35Cr V钢的显微组织依然由铁素体和珠光体组成（图3（b），图4（b）和图5（b））。然而，马氏体已经用85Cr V钢制造，因此，马氏体变形量大于未变形马氏体量（图6（b）和图7（b））。随着冷却速度提高到5℃/s，35Cr V钢中也出现马氏体相变，85Cr V钢中马氏体含量逐渐增加，特别是85Cr V钢的组织主要以变形为主的马氏体。同时，在没有变形的85Cr V钢中也没有铁素体相变。当冷却速度提高到7℃/s时，35Cr，35Cr V和85Cr V钢发生马氏体相变，35Cr V钢和85Cr V钢马氏体含量进一步增加。钢的显微组织HSS没有改变，它仍然由铁素体和珠光体组成。将冷却速度提高到10℃和20℃/s，这些实验钢的相变规律与前述相一致，均在低温区域进行了相变。

从图3-7中可以看出，随着合金元素Cr和V的增加，铁素体含量呈下降趋势。显然，与其他样品相比，没有变形的85Cr V钢中铁素体含量最低。如图3-6所示，35Cr V和85Cr V钢的显微组织比HSS和35Cr钢的显微组织要细得多。我们还研究了这些实验钢在不同冷却速率下的珠光体片层间距，结果发现存在明显的差异，如图8所示。增加冷却速率导致珠光体的层状间距减小。众所周知，珠光体转变是扩散相变的类型;随着冷却速度的增加，过冷度增加，珠光体相变温度降低。结果，奥氏体中碳原子的扩散速率降低，导致珠光体片层间距减小。结果，奥氏体中碳原子的扩散速率降低，导致珠光体片层间距减小。此外，过冷度的增加促进了铁素体和渗碳体的形核，这也使得微观结构更加精细。

（a）0.2℃/ s; （b）3. 5℃/ s; （c）5.0℃/ s; （d）7.0℃/ s; （e）10℃/ s; （f）20.0℃/ s。
图3 不同冷却速率下高速钢的SEM显微组织

（a）0.2℃/ s; （b）3. 5℃/ s; （c）5.0℃/ s; （d）7.0℃/ s; （e）10℃/ s; （f）20.0℃/ s。
图4 不同冷却速率下35Cr钢的SEM显微组织

（a）0.2℃/ s; （b）3. 5℃/ s; （c）5.0℃/ s; （d）7.0℃/ s; （e）10℃/ s; （f）20.0℃/ s。
图5 35Cr V钢在不同冷却速率下变

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