回火温度对含钒42CrMo钢-40℃冲击韧性的影响.pdf

第卷第期上海金属，年月，作 者 简 介：刘 铭 杰，男，硕 士，主 要 从 事 风 电 紧 固 件 的 研 究，：通 信 作 者：史 文，男，教 授，博 士，主 要 从 事 汽 车 高 强 钢 研 究，：回 火 温 度 对 含 钒钢 冲 击 韧 性 的 影 响刘 铭 杰周 为 群董瀚史文张波（上 海 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院，上 海；上 海 大 学（浙 江）高 端 装 备 基 础 件 材 料 研 究 院，浙 江 嘉 善）【摘 要】对 含 钒钢 进 行 了 油 淬 和 回 火，采 用 扫 描 电 子 显 微 镜、电 子 背 散 射 衍 射 和 透 射 电 子 显 微 镜 检 测 了 钢 的 冲 击 韧 性、显 微 组 织、应 力、位 错 密 度 和晶 粒 取 向 差。结 果 显 示：随 着 回 火 温 度 的 升 高，钢 的 冲 击 吸 收 能 量 从 提 高 到 了，回 火 索 氏 体 中 的 碳 化 物 从 条 状 转 变 为 球 状；较 高 温 度 回 火 的 钢 比 较 低 温 度 回 火 的 钢 具 有 更 多的 大 角 度 晶 界、较 小 的 应 力 和 较 低 的 位 错 密 度；回 火 索 氏 体 中 的 条 状、针 状 碳 化 物 主 要 为，球 状 碳 化 物 主 要 为和，弥 散 分 布 的 球 状 碳 化 物 有 利 于 改 善 钢 的 低 温 冲 击 韧 性。【关 键 词】含 钒钢，回 火 温 度，回 火 索 氏 体，碳 化 物，低 温 冲 击 韧 性中 图 分 类 号：文 章 编 号：（）（，；（），）【】，（），；（），；（），【】，随 着 社 会 的 发 展，对 电 能 特 别 是 绿 色 电 能 的 需 求 量 越 来 越 大。风 力 发 电 是 绿 色 能 源 之 一，据第期刘 铭 杰 等：回 火 温 度 对 含 钒钢 冲 击 韧 性 的 影 响 报 道，的 地 面 风 力 就 能 满 足 全 球 的 能 源 需求。风 电 机 螺 栓 是 重 要 的 紧 固 件，随 着 风 力 发电 机 功 率 的 提 高，对 螺 栓 性 能 要 求 也 越 来 越 高，严寒 或 高 海 拔 地 区 的 风 电 机 螺 栓 还 需 具 有 良 好 的 低温 冲 击 性 能，因 此 必 须 开 发 强 度 高、低 温 冲 击性 能 优 异 的 风 电 机 螺 栓 用 钢。目 前，国 内 级 风 电 机 螺 栓 大 多 采 用钢 制 作，但 其 冲 击 性 能 较 差，不 适用 于 更 大 功 率 发 电 机 组 的 级 螺 栓。研 究表 明，钢 中 加 入 钒，既 能 显 著 提 高 钢 的 淬 透 性，又 能 改 善 钢 的 低 温 冲 击 性 能，因 此 为 了 满 足新 一 代 风 电 机 螺 栓 成 本 低 且 性 能 优 异 的 要 求，可在钢 中 加 入 少 量 钒。本 文 对 含 钒钢（钢）进 行 油 淬 和 不 同 温 度 的回 火，研 究 了 回 火 温 度 对钢 冲 击韧 性 的 影 响，可 为 其 实 际 生 产 中 热 处 理 工 艺 的 制定 提 供 参 考。试 验 材 料 与 方 法将 尺 寸 为 的 试 验 用钢 铸 坯 加 热 至 保 温，随 后 锻造 成 的 棒 料，再 加 工 成 的 试 棒。试 验 用 钢 的 化 学 成 分 如 表所 示。将 试 棒 加 热 至奥 氏 体 化油表试 验 用钢 的 化 学 成 分 元 素质 量 分 数 质 量 分 数 淬，随 后 在、和 回 火空 冷。按 金 属 材 料 夏 比 摆 锤冲 击 试 验 方 法 ，从 热 处 理 后 试 棒 的半 径 处 切取 和 加 工 夏 比型 缺 口 冲 击 试 样，尺 寸 为 ，如 图所 示。冲 击 试 验温 度 为，设 备 为 摆 锤 式 冲 击 试 验 机。图冲 击 试 样 尺 寸 金 相 试 样 采 用（体 积 分 数，下 同）硝 酸 酒精 溶 液 腐 蚀。采 用 光 学 显 微 镜、型 热 场发 射 扫 描 电 子 显 微 镜（，）和型 透 射 电 子 显 微镜（，）进 行 金相 检 验 和 断 口 分 析。试 样 的 制 备：先 将 试 样机 械 研 磨 至 厚，然 后 采 用高 氯 酸 酒 精溶 液 在 下 进 行 电 解 双 喷 减 薄。采 用 场 发射 扫 描 电 子 显 微 镜 上 的 电 子 背 散 射 衍 射（，）系 统 进 行 微 区 的 结晶 取 向 分 析。试 验 结 果 与 分 析 显 微 组 织淬 火 后 分 别 于、和 回 火 的钢 的 显 微 组 织 如 图所 示，均 为 回 火 索氏 体，随 着 回 火 温 度 的 升 高，回 火 索 氏 体 中 的 碳 化物 分 布 更 弥 散。图淬 火 后（）、（）及（）回 火 的钢 的 显 微 组 织 （），（）（）不 同 温 度 回 火 的 钢 的形 貌 如 图所 示。可 以 看 出：和 等 较 低 温 度 回 火 的 钢，由 于热 激 活 能 低，碳 化 物 首 先 在 马 氏 体 板 条 界 面 形 核 和长 大；随 着 回 火 温 度 的 升 高，热 激 活 能 增 大，碳 化 物 上海金属第卷分 布 愈 弥 散。回 火 的 钢，沿 马 氏 体 板 条界 面 析 出 的 条 状 和 片 状 碳 化 物 增 多，少 量 碳 化 物 呈颗 粒 状；回 火 的 钢 中 条 状 碳 化 物 基 本 消 失，球 状 碳 化 物 增 多，还 有 一 些 短 杆 状 碳 化 物；回 火 的 钢 中 基 本 无 条 状 或 片 状 碳 化 物，大 多为 球 状 碳 化 物 且 均 匀 弥 散 分 布。随 着 回 火 温 度 的提 高，碳 化 物 平 均 尺 寸 增 大，特 别 是 回 火 的钢 中 球 状 碳 化 物 较 回 火 的 钢 明 显 粗 化。图淬 火 后（）、（）、（）、（）、（）及（）回 火 的钢 的形 貌 （），（），（），（），（），（）、和 回 火 的 钢 中 索 氏 体 具 有 回火 马 氏 体 的 板 条 特 征，如 图所 示。随 着 回 火 温度 的 提 高，板 条 粗 化，平 均 宽 度 分 别 为、和。回 火 温 度 从 升 高 到，索 氏体 板 条 显 著 变 宽，回 火，板 条 宽 度 变化 不 明 显。图淬 火 后（）、（）及（）回 火 的钢 的形 貌 （），（），（）分 析 结 果表 征 能 进 一 步 揭 示 不 同 温 度 回 火 的 钢的 组 织 差 异。、和 回 火 的 钢 的 大、小 角 度 晶 界 分 布 如 图所 示。图中 红 色 线 表 示 取 向 差 大 于的 大 角 度晶 界（，）分 布，绿色 线 代 表 取 向 差 为 的 小 角 度 晶 界（，）分 布。可 见 原 马 氏体 板 条 界 面 为 大 角 度 晶 界。图为 不 同 温 度 回 火的 钢 中 大、小 角 度 晶 界 比 例。可 以 看 出，大 角 度 晶界 随 回 火 温 度 的 升 高 而 增 多，、和 回 火 的 钢 中 大 角 度 晶 界 比 例 分 别 为、和；小 角 度 晶 界 比 例 的 变 化 则 相反，和 回 火 的 钢 分 别 为 和第期刘 铭 杰 等：回 火 温 度 对 含 钒钢 冲 击 韧 性 的 影 响 图淬 火 后（）、（）及（）回 火 的钢 的 晶 界 分 布 （），（），（）图钢 中 大、小 角 度 晶 界 比 例 随 回 火 温 度 的 变 化 。这 是 由 于 回 火 温 度 提 高，组 织 粗 化，导 致小 角 度 晶 界 减 少，且 随 着 回 火 温 度 的 升 高，马 氏 体转 变 为 多 边 形 铁 素 体，马 氏 体 板 条 结 构 模 糊 甚 至消 失，铁 素 体 增 多，导 致 小 角 度 晶 界 减 少、大 角 度晶 界 增 多。不 同 温 度 回 火 的钢 的 局 部 错 配 角（，）的 分 布 和 数量 统 计 如 图、图所 示。主 要 用 来 表 征 钢中 缺 陷 密 度 和 应 力 状 态，值 较 高 的 区 域 集 中在 小 角 度 晶 界 附 近，对 应 的 缺 陷 密 度 也 较 大。图表 明：回 火 温 度 从 升 高 至，深 色区 域 略 有 减 少，在 图中 表 现 为曲 线 略 微 左图淬 火 后（）、（）和（）回 火 的钢 的图 （），（），（）上海金属第卷图不 同 温 度 回 火 的钢 的值 及 数 量 统 计 图 移，但 差 异 不 大；回 火 温 度 从 升 高 到，亮 绿 色 区 域 显 著 减 少，应 力 显 著 减 小，在 图中 表 现 为 曲 线 明 显 左 移，低值 的 数 量 增 多。不 同 温 度 回 火 的钢 的 几 何 必 要 位错（，）分 布和 数 量 统 计 如 图和 图所 示。可 见和回 火 的 钢 的分 布 几 乎 相 同，图中 曲 线几 乎 重 叠。回 火 的 钢 的密 度 明 显 减小，曲 线 左 移。统 计 表 明，、和 回火 的 钢 的密 度 平 均 值 分 别 为 、和 。碳 化 物 回 火 的钢 中 回 火 马 氏 体 板 条界 面 有 条 状 碳 化 物，衍 射 斑 点 分 析 为，板 条内 有 大 量 细 小 的 针 状 碳 化 物，衍 射 斑 点 分 析 也 为，其 平 均 尺 寸 约 为；晶 界 有 少 量 块 状碳 化 物，衍 射 斑 点 分 析 为，如 图所 示。回 火 的 钢 回 火 索 氏 体 中 出 现 细 棒 状 碳 化物，衍 射 分 析 为；条 状不 连 续，针 状尺 寸 从 增 大 到 左 右，且 球 状碳 化 物 增 多，为，其 平 均 直 径 约 为，如图所 示。回 火 的 钢 中 钒 碳 化 物 数 量 增多，为和，如 图（）所 示。统 计 表 明：回 火 的 钢 中 钒 碳 化 物 的 平 均 直 径 为 ，回 火 的 钢 为 ，回 火的 钢 增 大 到 ；回 火 的 钢 中 棒 状 碳 化物 的 长宽 比 减 小、数 量 增 多，如 图（）所 示。球 状 碳 化 物 大 小 不 均 匀，分 布 弥 散，大 的 直 径 约 为，如 图（）所 示，说 明 回 火 的 钢 中和粗 化。冲 击 韧 性 及 断 口 形 貌回 火 温 度 对钢 冲 击 韧 性 的 影响 如 图所 示。回 火 温 度 从升 高 到，图淬 火 后（）、（）和（）回 火 的钢 的分 布 （），（），（）第期刘 铭 杰 等：回 火 温 度 对 含 钒钢 冲 击 韧 性 的 影 响 图回 火 温 度 对密 度 与 数 量 之 间关 系 的 影 响 钢 的 冲 击 吸 收 能 量 从 增 大 至，及 以 上 温 度 回 火 的 钢 的 冲 击 吸 收 能 量 从 升 高 到 了，钢 的 冲 击 韧 性 显 著 改 善。冲 击 试 验 试 样 的 断 口 形 貌 如 图所 示。回 火 的 钢 的 冲 击 断 口 河 流 花 样 和 解 理 台 阶 明显，如 图（）所 示，为 脆 性 解 理 断 裂；随 着 回 火 温 度的 升 高，断 口 为 微 孔 和 解 理 混 合 的 形 貌，如 图（，）所 示，冲 击 韧 性 略 有 提 高；回 火 的 钢 冲 击 断口 韧 窝 数 量 增 多 且 分 布 均 匀，解 理 面 明 显 减 少，撕 裂棱 多 而 长 且 变 宽，形 成 具 有 蜂 窝 状 韧 窝 的 断 裂 带，冲击 韧 性 显 著 提 高（图（）；和 回 火 的 钢解 理 面 消 失，仅 存 在 韧 窝，如 图（，）所 示，且回 火 的 钢 韧 窝 更 大 更 深，韧 窝 越 大 越 深，钢 的 冲 击韧 性 也 越 好。图淬 火 后 回 火 的钢 中 条 状（，）、针 状（）和 球 状（）的形 貌 （，），（）（）讨 论 碳 化 物较 低 温 度 回 火 的钢 中 条 状 碳 化 物较 多，主 要 为，是 冲 击 试 验 过 程 中 裂 纹 源 和裂 纹 的 扩 展 路 径，导 致 试 样 脆 断。在 相 同 温 度回 火 的 钢，马 氏 体 板 条 内 有 针 状，会 显 著 弱 上海金属第卷图淬 火 后 回 火钢 中 条 状（，）和 球 状（）的形 貌 （，）（）图淬 火 后 回 火 的钢 中（）、弥 散 分 布 的（）和 块 状 碳 化 物（）的形 貌 （），（）（）图 钢 的 冲 击 韧 性 随回 火 温 度 的 变 化 化 晶 界、降 低 韧 性。此 外，晶 界 析 出 了 球 状，其 形 成 是 受 置 换 扩 散 控 制 的 反 应，根 据 动力 学 沉 淀 理 论，的 预 沉 淀 对 降 低的 相变 驱 动 力 具 有 重 要 作 用，裂 纹 会 首 先 在 粗 大 的附 近 产 生，连 续 分 布 的易 导 致 裂 纹沿 晶 界 扩 展，发 生 晶 间 断 裂。及 以 上 温度 回 火 的 钢 有 条 状形 成，会 引 起 局 部 应 力 集中，成 为 裂 纹 源。此 外，马 氏 体 板 条 界 面 的 条 状不 再 连 续，分 割 基 体 的 作 用 减 弱。弥 散 分 布的 球 状会 显 著 降 低 基 体 应 力 集 中，有 利 于改 善 钢 的 冲 击 韧 性。回 火 的 钢 中 马 氏 体 板条 内 的 针 状消 失，条 状和的 长宽 比 减 小，回 火 索 氏 体 中 大、小 球 状 碳 化 物 分 布 弥散，大 的 球 状 碳 化 物 直 径 约 为，根 据的 断 裂 理 论，产 生 裂 纹 的 可 能 性 随 着 颗 粒 物 尺 寸的 增 大 而 减 小，尺 寸 较 小（）的 析 出 相 几乎 不 影 响 冲 击 韧 性。等 与 铁 素 体 具 有 共 格 或半 共 格 关 系，因 此 界 面 难 以 萌 生 裂 纹。大、小 角 度 晶 界随 着 回 火 温 度 的 升 高，回 火 马 氏 体 的 板 条 束第期刘 铭 杰 等：回 火 温 度 对 含 钒钢 冲 击 韧 性 的 影 响 图（）、（）、（）、（）、（）和（）回 火 的钢 的 冲 击 试 验试 样 断 口 的 微 观 形 貌 （），（），（），（），（），（）变 宽，如 图所 示。回 火 温 度 升 高 使 回 复 效 果 更好，通 过 位 错 的 移 动、合 并，板 条 间 位 错 急 剧 减 少，小 角 度 晶 界 消 失，相 邻 板 条 合 并，大 角 度 晶 界增 多，如 图中 红 线 所 示。大 角 度 晶 界 均 处 于 马氏 体 板 条 界 面，有 利 于 提 高 钢 的 冲 击 韧性。当 裂 纹 扩 展 至 大 角 度 晶 界 时，晶 体 取 向 和 裂纹 方 向 会 发 生 变 化，相 比 小 角 度 晶 界 需 要 更 大 的扩 展 能，即 增 加 了 裂 纹 扩 展 的 阻 力，所 以 大角 度 晶 界 越 多，钢 的 低 温 冲 击 韧 性 越 好。这 可 用公 式进 行 解 释：（）（）式 中：为 晶 界 能；为 常 数；为 取 向 差 角 的 变量，取 向 差 角 越 大 的 晶 界 其 晶 界 能 越 大。位 错 及 应 力结 果 表 明，、回 火 的 钢 中 位 错密 度 减 少 不 明 显，但 回 火 的 钢 中 位 错 密 度明 显 降 低（图（）和 图），较 低 的 位 错 密 度 难以 形 成气 团，有 利 于 改 善 钢 的 冲击 韧 性。不 同 温 度 回 火 的 钢 应 力 与 位 错 密 度 的 变化 相 似，和 回 火 的 钢 应 力 减 小 不 明 显，回 火 的 钢 位 错 回 复，基 体 明 显 软 化，钢 的 冲击 韧 性 得 以 进 一 步 改 善。结 论（）随 着 回 火 温 度 的 升 高，钢 中 碳化 物 从 条 状、针 状转 变 为 球 状和，晶 界 析 出 的 条 状 和 球 状 碳 化 物 是 裂 纹 源 和裂 纹 的 扩 展 路 径，导 致 基 体 应 力 集 中 而 引 起 断 裂；晶 内 弥 散 分 布 的 球 状 碳 化 物 减 小 了 萌 生 裂 纹 的 可能 性，从 而 提 高 了 钢 的 冲 击 韧 性。（）回 火 温 度 的 升 高 使 回 火 马 氏 体 板 条 变宽，从 而 提 高 了 大 角 度 晶 界 比 例，增 加 了 裂 纹 的 扩展 能，增 大 了 裂 纹 扩 展 的 阻 力。（）、回 火 的钢 应 力 和 位错 减 少 不 明 显，回 火 的 钢 应 力 及 位 错 密 度大 大 降 低，说 明 回 火 的 钢 冲 击 韧 性 大 幅 度提 高，其 主 要 原 因 是 碳 化 物 球 化 和 大 角 度 晶 界 增多，回 火 的 钢 冲 击 性 能 进 一 步 提 高，主 要 是基 体 位 错 密 度 和 应 力 降 低、球 状 碳 化 物 和 大 角 度晶 界 增 多 所 致。参 考 文 献周 长 泉风 力 发 电 发 展 现 状 及 前 景 浅 析 价 值 工 程，（）：顾 青 丽，张 先 鸣紧 固 件 线 材 棒 料 在 风 电 高 强 螺 栓 中 的 应 用金 属 加 工，（）：上海金属第卷惠 卫 军，董 瀚高 强 度 螺 栓 钢 的 发 展 动 向 机 械 工 程 材料，（）：，张 源，张 承 来中 国 风 电 发 展 的 现 状 与 对 策 风 力 发 电，（）：吕 超 然大 尺 寸 风 电 螺 栓 用钢 淬 透 性 及 其 力 学 性 能的 研 究 北 京：钢 铁 研 究 总 院，蔡 笑 樱 大 型 锻 件 显 微 组 织 对 低 温 冲 击 性 能 的 影 响济 南：山 东 大 学，（）：龚 雪 婷，武 志 广，李 鑫，等热 处 理 工 艺 对螺 栓钢 组 织 及 性 能 的 影 响 钢 铁，（）：孙 宸厚 大 断 面钢 组 织 调 控 与 强 韧 化 机 制 研 究合 肥：中 国 科 学 技 术 大 学，（）：刘 浩 然热 处 理 工 艺 对 耐 候 螺 栓 钢 组 织 和 力 学 性 能 的 影 响秦 皇 岛：燕 山 大 学，（）：韩 荣，刘 洪 喜 微 合 金 化钢 中 析 出 相 及 其强 化 作 用 钢 铁，（）：，（）：，（）：王 庆 芳，罗 志 敏，马 到 原控 轧 后 的 冷 却 速 度 对园 林 钢 组 织 和 力 学 性 能 的 影 响 上 海 金 属，（）：，（）：，：修 回 日 期：櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪（上 接 第页）温 永 红，唐 狄，武 会 宾，等 级 船 板 低 温 韧 性 机 理 北京 科 技 大 学 学 报，（）：陈 建 超，庞 洪 轩回 火 温 度 对 热 轧 耐 候 桥 梁 钢 组 织 和 性 能 的影 响 宽 厚 板，（）：蒋 中 华厚 壁 低 合 金 钢 锻 件 冲 击 功 波 动 机 制 及 控 制 方 法 研究 合 肥：中 国 科 学 技 术 大 学，：，：何 江 里，王 厚 昕，周 海，等焊 接 热 输 入 对 新 型 低微钢组 织 及 冲 击 韧 性 的 影 响 上 海 金 属，（）：，：，：，：，：修 回 日 期：