铬钼合金化对高锰钢疲劳性能的影响

王 辉,谭小东,刘兴刚,田学锋,陈晓刚,田 锋,张国志

(1.东北大学 材料与冶金学院,沈阳 110004;2.铁岭阀门 (集团)特种阀门有限责任公司 辽宁 铁岭 112616)

铬钼合金化对高锰钢疲劳性能的影响

王 辉1,谭小东1,刘兴刚1,田学锋1,陈晓刚2,田 锋2,张国志1

(1.东北大学 材料与冶金学院,沈阳 110004;2.铁岭阀门 (集团)特种阀门有限责任公司 辽宁 铁岭 112616)

研究了铬钼合金化对高锰钢疲劳和耐磨性能的影响.旋转弯曲疲劳试验和疲劳断口分析结果表明,铬钼合金化后,高锰钢的抗拉强度和屈服强度都有所提高,而延伸率、冲击韧性和疲劳极限降低.在低循环应力条件下,Cr和Mo的质量分数分别为 0.57%和 0.34%的高锰钢的疲劳性能低于普通高锰钢,主要是弥散点状碳化物容易引发内部疲劳源,加快疲劳失效过程.

高锰钢;铬钼合金化;疲劳性能;S-N曲线;磨料磨损

高锰钢作为传统的耐磨材料已得到广泛应用,几乎被视为万能耐磨材料[1,2].但在坦克履带板的服役中,发现高锰钢履带板极易产生裂纹,耐磨性差,其主要原因是坦克履带板受到的冲击较小,高锰钢得不到充分的加工硬化,因而强度和硬度低[3].为了提高高锰钢的强度和硬度,改善高锰钢的耐磨性能,在高锰钢中加入铬和钼进行合金化.相关资料显示[4～6],加入铬钼合金化后,高锰钢的强度确实提高,裂纹萌生门槛功会上升,裂纹数量减少,耐磨性提高.但铬钼合金化履带板使用过程中出现断裂[7].疲劳性能是履带板的重要性能指标,有必要研究合金化对高锰钢疲劳性能的影响.因此,参照国内某厂生产的高锰钢履带板化学成分,在高锰钢中添加少量铬和钼,通过金相组织观察和旋转弯曲疲劳断口分析,研究合金化对高锰钢疲劳性能和低应力磨料磨损性能的影响[8,9].

1 试验方法

1.1 试验钢的熔炼及热处理

采用 500 kg中频感应电炉熔炼钢水,浇注成Y型试样.两种高锰钢的化学成分见表 1,表中合金化高锰钢的化学成分是参照国内某履带板生产厂目前使用的高锰钢履带板成分设计的.从 Y型试样上切割试块,进行水韧处理.奥氏体化温度为1 100℃,保温 2 h,水淬.经线切割后,加工成机械性能试棒和旋转弯曲疲劳试样.

表1 高锰钢的化学成分 (质量分数)Table 1 The composit ion of test steels(mass fraction) %

1.2 钢的力学性能测试

在WJ-30万能材料试验机上进行拉伸性能测试,试样尺寸根据 GB/T 1348-1988制备,拉伸速率为 5 mm/min;在 JBW-500型摆锤式冲击试验机上做冲击试验,试样尺寸为 55 mm×10 mm×10 mm,带 U型缺口,冲击支点间距为 40 mm.

1.3 旋转弯曲疲劳试验方法

选择旋转弯曲疲劳试验模拟履带板的疲劳失效过程,参照 GB4337-84金属旋转弯曲疲劳试验方法,在 PQ1-6纯弯曲疲劳试验机上进行旋转弯曲疲劳试验.规定循环周次 N=1×107所对应的应力为疲劳强度极限.试验机转速为5 000 r/min,应力比 R=-1.光滑圆柱形标准试样的尺寸见图 1.试样设置方式为横梁式,两点加载.

图1 圆柱形标准疲劳试样Fig.1 Cylindrical standard fatigue spec imen

在试样中部测量 3点直径,取最小值作为应力最大处直径 d(测量精度不应低于 0.01 mm).先取抗拉强度的一半作为疲劳极限估算值,应力增量Δ σ一般取疲劳极限估算值的 3%～5%.在高应力区选择较大的Δ σ值,在疲劳极限附近选择较小的Δ σ值.第一根试样选择在高于疲劳极限值的应力下开始,若第一根试样在达到规定循环周次以前破坏,则下一根试样的应力降低一个Δ σ.若第一根试样在达到规定循环周次时未破坏,则下一根试样的试验应力增加一个Δ σ.按此方法,直至得到一组有效数据为止.若有一根试样达到规定循环周次时未断裂,则疲劳极限等于此应力和比它高一级应力的平均值;若试样在达到规定循环周次以前破坏,则疲劳极限等于此应力与比其低一级的试样不破坏应力值的平均值.为了提高疲劳极限的可靠度,测定疲劳极限时应当有两根以上试样达到规定循环周次不破坏[5].应力载荷是利用砝码单点加载形式,载荷 P(单位:N)与应力 σ (单位:MPa)间遵循 P=kd3σ,其中k=0.001 636.

1.4 疲劳断口形貌及微观组织观察

用数码相机拍摄疲劳断口宏观形貌,用 SSX-550型扫描电子显微镜,观察疲劳断口微观形貌;用 OLY MPUS GX51金相显微镜观察试验钢热处理后的金相组织.

2 试验结果与分析

2.1 力学性能

两种高锰钢热处理后的力学性能见表 2.

表2 钢的力学性能Table 2 The mechanicalproperties of the high Mn steels

由表 2可见,铬钼合金化高锰钢的抗拉强度和屈服强度都较普通高锰钢有所提高,而铬钼合金化高锰钢的延伸率和冲击韧性比普通高锰钢低.

2.2 旋转弯曲疲劳试验结果

两种高锰钢的弯曲疲劳试验数据见表 3和表 4.图 2是根据旋转弯曲疲劳试验数据绘制的 S-N曲线.随着循环应力的减小,疲劳寿命逐渐上升.当循环应力减小到 250MPa时,普通高锰钢 SN曲线出现平台.由表 3可见,循环应力为 275 MPa的 5个试样中只有 2个试样的循环周次达到 107未断裂.循环应力为 250 MPa的 2个试样的循环周次均达到 107未断裂.取两者平均得出普通高锰钢的疲劳极限为 260 MPa.当循环应力减小到245 MPa左右时,合金化高锰钢 S-N曲线出现平台.由表 4可见,循环应力为 240 MPa,两个试样的循环周次均达到 107未断裂.循环应力为250 MPa的 3个试样,均在循环周次为 106时断裂,取合金化高锰钢的疲劳极限为 245 MPa.可见合金化高锰钢的疲劳极限比普通高锰钢的疲劳极限低.循环应力为 350MPa时,两种高锰钢疲劳寿命几乎相同.可见,在低应力疲劳条件下,铬钼合金化高锰钢疲劳性能低于普通高锰钢.

表3 普通高锰钢旋转弯曲疲劳试验数据Table 3 Exper imental data of the traditional high Mn steel in rotary bending fatigue testing

表4 合金化高锰钢旋转弯曲疲劳试验数据Table 4 Exper im ental data of the alloying high Mn steel in rotary bending fatigue testing

2.3 疲劳断口分析

图3为两种高锰钢旋转弯曲疲劳断口扫描电镜照片.疲劳裂纹萌生都集中在试样表层和亚表层,裂纹源处有夹杂物,断口有明显的疲劳裂纹源区和裂纹扩展区,因疲劳裂纹萌生和扩展是反复挤压摩擦的过程,疲劳寿命大部分消耗在裂纹扩展区.图 3(a)是普通高锰钢断口,可以看出,其裂纹源区明显比合金化高锰钢疲劳裂纹源区小,这表明普通高锰钢的疲劳性能比合金化高锰钢的疲劳性能好,裂纹萌生比较晚.断口上都存在大量河流花样,表明两种高锰钢的断裂方式均属穿晶脆性断裂.

两种高锰钢疲劳断口的疲劳裂纹扩展区和疲劳裂纹瞬间断裂区也有很大区别.图 4(a)和 (b)分别是普通高锰钢和合金化高锰钢的疲劳裂纹扩展区,虽然普通高锰钢所受的循环应力比合金化高锰钢的循环应力高,但普通高锰钢疲劳裂纹扩展区中的疲劳辉纹比合金化高锰钢更均匀,裂纹间距更小,说明普通高锰钢在疲劳失效过程中裂纹扩展阶段比合金化高锰钢更长,普通高锰钢的疲劳性能比合金化高锰钢的疲劳性能好.

图4 疲劳断口裂纹扩展区形貌Fig.4 The mo rphology of fatigue extended area

对于疲劳裂纹瞬间断裂区 (见图 5),虽然普通高锰钢所受的循环应力整体比合金化高锰钢所受的循环应力高,但合金化高锰钢疲劳裂纹瞬间断裂区内的河流花样 (图 5(a))比普通高锰钢(图 5(b))更大,更具方向性,这表明合金化高锰钢的最终断裂比普通高锰钢更加剧烈和迅速.这与合金化高锰钢冲击韧性低于普通高锰钢的结果一致,也解释了相同循环应力下普通高锰钢的疲劳寿命比合金化高锰钢长的原因.综上可知,普通高锰钢疲劳过程比合金化高锰钢更长,更稳定,铬钼合金化使高锰钢疲劳性能下降,这与 S-N曲线一致.

2.4 微观组织

图6(a)是普通高锰钢水韧处理后的金相组织,为单相奥氏体组织;铬钼合金化高锰钢经水韧处理后,在奥氏体晶粒内部有少量弥散点状碳化物,见图 6(b),弥散点状碳化物存在于奥氏体晶粒内部起强化基体的作用,强度有所提高.但是碳化物与基体之间由于硬度强度不同,碳化物与基体界面处容易形成裂纹源,使得铬钼合金化高锰钢的冲击韧性和疲劳性能下降.

3 结 论

(1)铬钼合金化后,高锰钢的屈服强度和抗拉强度提高,延伸率和冲击韧性都有降低.

(2)低循环应力情况下,合金化高锰钢的疲劳性能比普通高锰钢低,主要是因为加入铬钼后形成的点状碳化物成为疲劳裂纹源,加快了疲劳失效过程.

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Effects of Cr andMoon fatigue property of ZGMn13

W AN G H ui1,TAN X iao-dong1,LIU Xing-gang1,TIAN Xue-feng1,CH EN X iao-gang2,TIAN Feng2,ZHAN G Gui-zhi1

(1.School ofMaterials and Metallurgy,N ortheastern U niversity,Shenyang 110004,China;2. Tieling SpecialValve Co.Ltd.,Tieling 112616,China)

The effects of C r-M o alloying on the fatigue and w ear-resistant properties of ZGM n13 w ere researched,the results of rotary bending fatigue testing and abrasive w ear testing show that the strength and hardness of the high m anganese steel increase by addition of C r-M o,and the w ear-resistant properties of the high m anganese steelw ith C r-M o is better than that of the high m anganese steelw ithout C r-M o.But the toughness and fatigue property of the high m anganese steelw ith C r-M o is low er than that of the high m anganese steelw ithout C r-M o.The reason is that the dispersed carbides of C r andM o form ed in the boundary could induce crack initiation.In the case of low cyclic stress,the fatigue perform ance of the high m anganese steel w ith 0.57%C r-0.341%M o is not as good as the traditional high m anganese steel.

ZGM n13;C r-M o alloying;fatigue property;S-N curve;w ear resistance

TG146.2

A

1671-6620(2010)04-0245-05

2010-08-13.

军工十一五预研项目.

王辉 (1985—),男,辽宁锦州人,东北大学硕士研究生;张国志 (1953—),男,辽宁阜新人,东北大学教授.

刘兴刚 (1967—),男,甘肃会宁人,东北大学讲师,E-mail:liuxinggang@smm.neu.edu.cn.