中國金屬學會 翁宇慶
4 調(diào)質(zhì)鋼的超細化及提高延遲斷裂的途徑
機械制造用鋼主要指制造齒輪、軸類、連桿、連結(jié)件(螺栓等緊固件)等機械零件用鋼，大多是中碳鋼和中碳合金鋼，是在調(diào)質(zhì)態(tài)(淬火+高溫回火)熱處理后使用，因此常把機械制造用鋼，合金結(jié)構(gòu)鋼和調(diào)質(zhì)鋼混合起來稱呼。目前我國年產(chǎn)量已超過1500萬t(僅45號碳素鋼就在1000萬t／a左右)。
通過熱處理(調(diào)質(zhì))后，其顯微組織是回火馬氏體+碳化物。通過對淬火前的奧氏體超細化，證明其力學性能可以提高。與傳統(tǒng)的細晶熱處理(奧氏體晶粒度在ASTM 8級左右，即20～30μm左右)相比，當細化至10μm以下，所有的力學性能(強度、塑性、韌性)都有明顯的改善。采用電致加熱新的熱處理技術(shù)，可以穩(wěn)定地將42CrMo鋼的奧氏體晶粒度細化至5μm左右。
對于這類鋼，僅僅提高強韌性，或僅僅晶粒細化不能全面滿足使用要求。例如絕大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)鋼當抗拉強度提高到1200MPa后，產(chǎn)生延遲斷裂，如圖13所示。這樣進一步強度提高失去了使用價值，反而造成更大的不安全性。從應用看提高疲勞強度和疲勞壽命，提高抗延遲斷裂性能是更重要和更艱巨的課題?？蛊谛阅艿奶岣呗?lián)系著鋼中潔凈度的提高，特別是氧化物大小及分布的變化，它對生產(chǎn)這類鋼的電爐冶金工藝是高難度挑戰(zhàn)，本文不加敘述。提高延遲斷裂強度不僅僅與晶粒細化有關，還與鋼中相結(jié)構(gòu)、晶界狀態(tài)有關。如圖14所示，在我們開發(fā)的超細晶ADFl鋼中[10]，超細晶能提高延遲斷裂強度比，但是進一步的超細晶化，如圖14中所示奧氏體細化至2μm時，它的延遲斷裂比并不比較粗的晶粒尺寸(4μm)好。延遲斷裂實質(zhì)是氫脆現(xiàn)象，通常以沿晶斷裂形式發(fā)展，因而易在使用時發(fā)生延遲的脆性斷裂。因此，在超細晶基礎上，如何強化晶界，增加鋼中的氫陷阱以及減少活動氫的濃度是必須同時考慮的問題。本文由于篇幅限制不再介紹，見另文[11]。但其關鍵思路是：
(1)發(fā)展二次硬化鋼，它比一般調(diào)質(zhì)鋼在高溫回火后強度提高200～400 MPa，為此應用了M02C，VC的析出控制；
(2)在采用電致熱處理和循環(huán)熱處理作奧氏體細晶化熱處理同時，借鑒HSLA鋼的Nb細晶化作用；
(3)采用加Mo使Mo偏聚在奧氏體晶界，通過低能電子衍射和晶界強度計算證明強化了原子相的晶界；
(4)充分應用V、Ti碳化物的氫陷阱作用。
按其思路，新發(fā)展的新材料已小批量在依維柯(IVECO)汽車和康明斯發(fā)動機上作13．9～14．9級高強螺栓使用，突破了國際上最高只有12．9級螺栓鋼的限制。
5 無碳化物貝氏體／馬氏體復相鋼(Carbide-Free Bainite／Martensite，CFB／M)的發(fā)展
以30CrMnSi為代表的低合金高強度鋼，它們經(jīng)濟性好，強度高，在重要工程結(jié)構(gòu)和交通運輸、軍事工業(yè)中有大量、長期的應用業(yè)績。這類鋼一般采用中低溫回火熱處理工藝，以充分運用回火馬氏體的高強度。但是它的韌性和斷裂韌性有待發(fā)展，特別是氫脆敏感性同樣抗延遲斷裂性能不理想。“973”項目研究并發(fā)展了“無碳化物貝氏體／馬氏體的復相鋼，并在其中分布著膜狀富碳殘余奧氏體”的思路，涉及開發(fā)了系列新鋼種(0．2％-0．25％C，Si從1．0％到2．0％有幾個鋼種，并有適當?shù)腃r、Mn)。
產(chǎn)生B／M復相組織并同時存在富碳殘余奧氏體，是借助于Trip鋼(Transformation lnduced Plasticity，相變誘導塑性)原理，利用硅的這種作用。硅又是石墨化元素，它的溶解也使貝／馬(B／M)組織抑制碳化物的析出。由于奧氏體(FCC結(jié)構(gòu))比鐵素體(BCC結(jié)構(gòu))溶解氫能力高一個數(shù)量級，它可避免活動氫的局部高濃度集中產(chǎn)生氫脆，同時殘奧以膜狀分布在B／M相界區(qū)(圖15)，它極大地提高高強B／M組織的抗裂紋擴展能力，既提高了韌性和斷裂韌性。表2是讓C-Si鋼和30CrMnSi鋼處理成相同的抗拉強度(1510～l530 MPa)，發(fā)現(xiàn)新鋼種U20Si有較高的應力腐蝕條件下的斷裂韌性Kiscc和較低的裂紋擴展速度。如果同樣的C-Si鋼處理成馬氏體(M)組織或處理為無碳化物貝／馬組織(CFB／M)，從圖16和表3看，它的斷裂韌性和沖擊功都明顯提高。這說明，這一思路為低合金高強度鋼在中低溫回火應用條件下開辟了一條利用復相組織在保證高強度(δb≥1 500MPa)條件下提高韌性和耐延遲斷裂特性的新途徑。
為發(fā)展這類鋼，必須注意以下問題：
(1)由于在中低溫回火，必須處理好抗第一類回火脆性能力的設計和工藝；
(2)運用CFB／M+γ殘大幅度提高沖擊韌性和斷裂韌性，在實際工藝中必須有高的潔凈度作為基礎以防止夾雜物在高強條件下的裂紋源問題。
(3) γ殘既提高抗氫致破壞能力，又提高韌性。但它必須有足夠的熱穩(wěn)定性，能在使用溫度和應力下不產(chǎn)生γ－M的相變。
(4)進一步提高γ殘富碳薄膜的分布均勻性和進一步細化各類組織是進一步發(fā)展這類鋼的課題。
目前這類鋼已有若干試用領域和項目。新建的香港九號碼頭棧橋用l4.9級(σb≥1400 Mpa, σs／σb≥0.9)塔吊錨固大螺栓，就是國際投標中決定采用的新材料。
——《中國金相分析網(wǎng)》
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