低碳微合金化含硼冷镦钢的力学性能研究

发布时间：2009-10-28 作者：周新龙,叶飞, 陈伟庆, 刘振清

        高强度标准件通常由中碳钢、中碳合金钢生 产,由于这些钢种的含碳量及合金含量较高,冷镦 开裂和延迟断裂敏感性相对较大,且成本也相对较 高。低碳含硼高强标准件用钢针对中碳钢、中碳合 金钢的这些不足,利用硼能提高淬透性的特点,降 低钢中含碳量,提高钢的综合性能。其有如下优 点:可节约合金元素如Cr 、Ni 、Mo 等;钢材可直接 进行冷加工,省略球化退火工序;淬火变形和开裂 倾向小,可以用水淬;相同强度水平下,塑性较中碳 合金钢明显改善,抗疲劳及延迟断裂能力强。
        铌、钒微合金化提高钢的强度的应用已非常 广泛,如分别加入0 . 01 %的铌和钒,可使屈服强 度分别增加80 MPa 和70 MPa[ 1 ] 。王瑞珍等人 对铌、钒微合金化的非调质紧固件钢进行了试制 研究[ 2 ] ,取得了很好的效果。在低碳含硼冷镦钢 中加入铌、钒微合金元素,能进一步提高标准件的 强度,本文对低碳含硼冷镦钢中分别加入铌、钒或 同时加入铌、钒后钢的金相组织和力学性能进行 了对比研究。
        1 　实验材料及方法
        实验所用含硼钢在50 kg 真空感应炉内冶 炼,Nb 、V 微合金化含硼钢在实验室碳管炉内冶 炼,化学成分见表1～2 。

        将分别浇铸成的30 kg 钢锭和1 kg 圆型钢 锭(Φ50 mm) 加热至1 150～1 200 ℃,然后轧制 成12 mm 的钢板试样或用空气锤锻打成Φ13 mm 的圆棒,加工制成拉伸试样和金相试样。试 验钢试样的热处理制度为: 加热温度950 ～ 1 000 ℃,保温30 min ,淬火温度为950 ℃,回火 温度200 ℃。经研磨、抛光好的试样用4 %硝酸 酒精浸蚀出基体组织,置于金相显微镜下观察,统 计铁素体晶粒个数,进而计算出铁素体晶粒尺寸; 在MTS810 材料试验机上进行拉伸性能测试,检 测试验钢热处理前后的抗拉强度、延伸率、面缩率 等力学性能指标。
        2 　实验结果及分析
        2. 1 　试验钢热轧后的显微组织
        含硼钢经轧制后的室温组织为典型的铁素体 和珠光体,如图1a 所示,珠光体沿着轧制方向延 长,呈条带状分布在铁素体之间,铁素体则为不规 则状的晶粒,组织之间分界明显。Nb 、V 微合金 化含硼钢(图1b 、1c 、1d) 在热锻状态下的金相组 织由大量的铁素体晶粒和少量的珠光体组成,铁 素体晶粒呈不规则的状态或多边形状态,珠光体 的分布也不均匀。

        通过面积计算法来定量比较铁素体晶粒的大 小可知,单独加入Nb 、V 或同时加入Nb 、V 微合 金化的含硼钢铁素体晶粒平均尺寸相差不大,均 小于15μm ;含硼钢的铁素体晶粒平均尺寸超过 了22μm。对比说明,Nb 、V 等元素的加入使得 含硼钢的铁素体晶粒得到细化。
        2. 2 　试验钢热处理后的显微组织
        热处理后的低碳含硼钢和微合金化含硼钢的 显微组织如图2 所示。
        试验钢经淬火、回火后的组织是低碳马氏体。 这种组织具有良好的强度和韧性。一方面,低碳 马氏体组织中溶解在原始铁素体内的碳原子与位 错的弹性交互作用使得位错难以移动而造成固溶 强化;另一方面,由于低碳马氏体特殊的板条结构 和位错亚结构,在冲击力的作用下,能够吸收一部 分冲击能量。