低溫形變熱處理也稱亞穩奧氏體形變淬火。其工藝過程為:將鋼加熱至奧氏體狀態后,再急速冷卻至Ac1以下、高于Ms點以上的某一中間溫度,施行鍛壓或軋制成型,隨后立即淬火獲得馬氏體組織(見圖1)。為了獲得強度和韌性的良好配合,一般不希望在亞穩奧氏體的形變和隨后的淬火過程中產生非馬氏體組織,因而,過冷奧氏體需要具有足夠的穩定性。所以,低溫形變淬火要選擇淬透性較高的鋼材。
▲圖1 低溫形變淬火原理示意圖
低溫形變熱處理的工藝效果,取決于形變熱處理過程中各個工藝參數的選擇。這些工藝參數是:奧氏體化溫度、形變溫度、形變前后的停留時間和再加熱、形變量、形變方式、形變速度以及形變后的冷卻方式等等。
奧氏體化溫度對低溫形變淬火效果的影響與鋼的化學成分有很大關系。一般規律是奧氏體化溫度越低,形變淬火后抗拉強度越高,斷面收縮率越大,而延伸率基本保持不變。見圖2、圖3。
▲圖2 0.3%C-3%Cr-1.5Ni鋼奧氏體化溫度對低溫形變
(91%)淬火回火后拉伸性能的影響(100℃回火)
▲圖3 40CrNiMo鋼奧氏體化溫度對低溫形變淬火抗拉強度的影響
○-1300℃預固溶處理 ●-無預先固溶處理
圖4,為18CrNiW鋼強度和塑性指標隨溫度的變化而變化的規律?？梢钥闯?抗拉強度隨形變溫度的提高而降低,延伸率則緩慢增大。
▲圖4 18CrNiW鋼形變溫度對形變淬火后拉伸性能的影響
(形變量60%,回火溫度100℃ )
圖5 給出了H11鋼(0.35%C、1.5%Mo、5.0%Cr、0.4%V)形變溫度對形變淬火回火后的力學性能的影響。
▲圖5 H11鋼形變溫度對形變淬火、回火后力學性能的影響
形變量1-94%,2-75%,3-50%,4-30%
(常規處理時抗拉強度2170MPa,屈服強度1680MPa)
可以看到,隨著形變溫度的提高,抗拉強度有降低的趨勢。而塑性指標延伸率、斷面收縮率在400℃-500℃之間有凹陷區,這種現象與藍脆有關。
圖6表示了形變溫度對30CrNiMo鋼力學性能的影響。
▲圖6 30CrNiMo鋼形變溫度對力學性能的影響
(奧氏體化1150℃,形變量50%,
形變淬火后200℃X4h回火)
如果奧氏體穩定性高,鋼在奧氏體化后冷卻到形變溫度并保持一段時間奧氏體不發生分解,則形變前的這段停留對低溫形變淬火后的性能沒有影響。
為了獲得理想的強化效果,低溫形變淬火時的形變量應達到60%以上。在一般低溫形變條件下,一次得到如此大的形變量比較困難。但許多研究結果發現,多次形變的累積與一次形變達到要求量得到的效果幾乎沒有差異。實驗結果見表1、表2。
▼表1 中間加熱對30CrMnNiA鋼低溫形變淬火力學性能的影響
▼表2 中間加熱對H11鋼低溫形變淬火、回火后力學性能的影響
低溫形變后不一定要立即淬火。事實上,形變后停留一段時間不但不會影響淬火效果,甚至在形變后把鋼件加熱到略高于形變溫度并在此溫度保溫,可以進一步提高鋼的強度和塑性,詳見表3。這是由于形變后的加熱和保溫,使奧氏體產生了晶粒多角化效應。這是多角化而帶來的效果。
▼表3 多角化處理溫度和時間對幾種鋼低溫形變淬火后性能的影響
在低溫形變淬火工藝中,形變量是一個很重要的工藝參數。一般情況下,形變量越大,對金屬的強化效果就越好。
圖7,表示了形變量對0.3%C-3.0%Cr-1.5Ni鋼拉伸性能的影響。由圖可見,抗拉強度和屈服點隨形變量直線上升,對延伸率幾乎沒有影響,而斷面收縮率在達到一定形變量后則稍有下降趨勢。對AISI4340鋼而言,每增加1%形變量,屈服點上升5MPa。
▲圖7 形變量對0.3%C-3.0%Cr-1.5%Ni鋼拉伸性能的影響
(奧氏體化溫度930℃、形變溫度540℃,回火330℃)
形變方式有軋制、擠壓、旋壓、錘鍛、爆炸成型、深拉深。
一般棒材、帶材、板材都采用軋制形變,棒材也可用擠壓方式。直徑<250mm的管材可用旋壓方式,各種鍛件用錘鍛或壓力機鍛壓成型,直徑<76mm的管材可用爆炸成型,直徑<305mm的管材可用深拉深成型。
研究結果表明,低溫形變強化效果的差別只和形變溫度和形變量有關,而與形變方式無關。不同形變方式強化效果的差別是因形變速度引起的材料內部溫度變化(即形變溫度變化)所致。見圖8。
▲圖8 壓力機活塞運動速速對低溫淬火的
VascoMA鋼拉伸性能的影響
(開始擠壓溫度為593℃、649℃,
形變量70%,回火溫度552℃)
形變速度對強化效果的影響沒有一致的規律,有時表現隨形變速度的提高強度下降,有時又相反。截面較大的工件形變時,由于機械能轉化為熱能,心部溫度隨形變速度的提高而迅速增加,強化效果就降低。工件截面不大時,形變速度增加工件溫升不高,使形變溫度大致在恒定溫度下進行,從而表現出強化效果。
形變后是否需要立即淬火,取決于過冷奧氏體的穩定程度。如果過冷奧氏體足夠穩定,不產生非馬氏體組織,形變后的保溫和加熱對強化效果影響不大,有時甚至有好的作用(前已敘述)。當過冷奧氏體形變中或形變后部分分解成珠光體組織時,則強化效果明顯下降,分解成貝氏體時,強化效果下降幅度小。圖9,表示了非馬氏體組織含量對低溫形變后拉伸性能的影響。
▲圖9 非馬氏體組織對H11鋼低溫形變淬火后拉伸性能的影響
●-539℃軋制,形變量75% ○-482℃軋制,形變量75%
■-539℃軋制,形變量25% □-482℃軋制,形變量25%
低溫形變可使馬氏體組織細化。在一定奧氏體化溫度下,形變量越大,馬氏體越細,鋼的屈服強度越高。圖10,表示出了馬氏體尺寸與屈服強度的關系。
▲圖10 0.32%C-3.0%Cr-1.5%Ni鋼低溫形變
淬火后屈服強度與馬氏體片尺寸件關系
(奧氏體化溫度:1-930℃ 2-1040℃ 3-1150℃)
但也不能說馬氏體組織的細化是在鋼低溫形變淬火后獲得強化效果的唯一原因。實踐中也有這樣的事實,在不同形變量和不同奧氏體化溫度下,可以獲得相同晶粒尺寸的馬氏體,但屈服強度不同。
低溫形變細化的馬氏體中有大量位錯,在位錯線上有細小彌散的碳化物析出,在馬氏體細片中還存在更細的的亞晶塊結構。亞晶塊由位錯組成,是大量位錯聚集的場所。鋼的屈服強度與這亞晶塊的尺寸呈反比關系。
低溫形變淬火馬氏體的組織是從形變奧氏體繼承下來的。在形變奧氏體中有較高位錯密度和在形變中析出的細小彌散碳化物,說明形變奧氏體起先是處在加工硬化狀態下的,隨后相變變為細小馬氏體,又在位錯聚集處有彌散碳化物析出,這兩者作用表現出了雙重疊加的強化。
鋼在低溫形變淬火時,亞穩奧氏體強度隨形變量的增加而不斷上升,當形變比例超過40%時,強度上升速度加快,此現象不能單純用位錯密度的增加來解釋,而是由析出的碳化物釘扎位錯引起的,釘扎位錯又引起新位錯大量增加,所以強化作用急劇上升。另外,這樣的強化也有較高的耐回火性。
總之,低溫形變淬火所形成的馬氏體含高密度位錯和細小彌散碳化物以及較低的固溶體碳含量,這些是都低溫形變淬火鋼具有高強度,同時又具有較高韌性和塑性的主要原因。
鋼材化學成分不同,低溫形變淬火強化效果也不同。影響強化效果的元素是碳。C在0.3%-0.6%(wt)范圍內,低溫形變淬火后的強度隨含碳量的增加呈直線上升趨勢,延伸率下降不大,斷面收縮率下降稍快。見圖11。
▲圖11 含碳量對3%Cr-1.5Ni鋼拉伸性能的影響
(奧氏體化900℃,形變540℃,形變量91%330℃回火)
●-低溫形變淬火 ○-普通淬火
鋼材形變淬火后的屈服強度隨形變量的增加而增大,隨含碳量的增加,強化效果更加顯著。詳見圖12、圖13、圖14。
▲圖12 低溫形變熱處理的形變量對
不同含碳量的鋼屈服強度的影響
——3%Cr鋼 ……SAE4340 ----410不銹鋼
▲圖13 含碳量對1.86%Cr-2.33%Ni-1.05%Mn-1.03%Si
-1.03%W-0.47%Mo鋼低溫形變淬火抗拉強度的影響
(奧氏體化1000℃,形變550℃,形變量90%,回火100℃)
▲圖14 含碳化物形成元素的H11鋼
和不含碳化物形成元素的Fe-Ni-C合金低溫
形變淬火屈服強度的增加率
碳化物形成元素能顯著提高Fe-Ni-C合金的加工硬化程度,以Mo影響最大,其次是V,再次是Cr,在Fe-Mn-C奧氏體合金上也得到了類似結果。所以,碳化物形成元素能顯著提高低溫形變淬火馬氏體的強度。表4所列合金的亞穩態奧氏體形變強化的實驗結果列于表5。
▼表4 實驗合金的化學成分(wt)
▼表5 碳化物形成元素對Fe-Ni-C合金力學性能的影響
非碳化物形成元素Si 能著提高鋼的耐回火性。在0.4%C(wt)的Fe-Ni-Mo鋼中,加入1.5%Si(wt),在形變淬火和200-300℃回火后,抗拉強度可達到2670MPa。屈服強度達到2350MPa,而只有0.3%Si(wt)時,分別只有2200MPa和1960MPa。Mn對提高鋼形變淬火強度沒有貢獻,但價格低,可用來代替Ni 提高亞穩奧氏體的穩定性,便于施行低溫形變淬火。
低溫形變淬火可提高鋼的耐回火性,即經過低溫形變淬火的鋼件加熱到較高溫度尚可保持形變強化效果。圖15,為45CrMnSi鋼在950℃奧氏體化、535℃壓縮形變30%,然后淬油的硬度-回火溫度曲線。由圖可見,形變淬火的鋼在加熱到較高溫度時尚可保持較高的硬度。
▼圖15 45CrMnSi鋼低溫形變淬火與普
通淬火試樣的硬度-回火溫度曲線
1-低溫形變淬火 2-普通淬火
某些鋼在普通淬火后回火有二次硬化現象,低溫形變淬火這種現象會消失,這也表明低溫形變淬火后的較高的耐回火性。
a. 拉伸性能。一般情況下,低溫形變淬火比普通淬火能提高強度300-700MPa。表6,列出了一些鋼的低溫形變淬火鋼的拉伸性能數據。
▼表6 低溫形變淬火鋼的力學性能
低溫形變淬火不僅能提高鋼的常溫力學性能,還能提高其高溫性能。見圖16。
▲圖16 Vasco MA鋼低溫形變淬火
和普通淬火的高溫瞬時抗拉強度
(●-91%形變淬火,550℃ ○-普通淬火,580℃回火)
b. 沖擊韌度。目前低溫形變淬火對鋼的沖擊韌度的影響規律尚無一致認識。有的實驗結果表明低溫形變淬火可提高某些鋼的沖擊韌度,部分實驗結果認為沒有影響,還有的實驗結果正好相反。在≤0.4%C(wt)范圍內,鋼經低溫形變淬火沖擊值普遍比普通淬火低。
c. 疲勞性能。在一般情況下,鋼的疲勞性能極限隨鋼的靜拉伸強度的提高而降低。當抗拉強度<1000MPa時,疲勞極限與抗拉強度的比值在0.5-0.6之間,當抗拉強度達到1500MPa高強度狀態時,疲勞極限與抗拉強度比值變降低到0.3-0.4,而抗拉強度到2000MPa的超高強狀態時,疲勞極限與抗拉強度之比僅為0.3。通常認為:疲勞極限σ-1與抗拉強度σb與斷面收縮率ψ間的關系為σ-1=ψσb,低溫形變淬火在提高鋼的強度的同時,能使塑性指標基本不變。所以,最終表現是疲勞強度得到了相應提高。
d. 延遲斷裂傾向。強度在1200MPa以上的高強度鋼,在含H2的介質中經受靜載荷所引起的應力在屈服強度以下,當經過一定的加載時間后會突然脆斷,這就是延遲脆斷現象。而低溫形變淬火能顯著改善鋼的延遲脆斷性能。
e. 斷裂韌度。低溫形變淬火對斷裂韌度的影響比較零亂,因不同剛才而異,難以做出一致結論。
f. 各向異性。低溫形變淬火鋼的力學性能具有方向性,尤其塑性韌性指標方向性明顯,橫向低于縱向。
