正火處理對fas370q橋殼鋼組織性能的影響

正火處理對fas370q橋殼鋼組織性能的影響

fas390q是滿足中、重車輛需求而開發(fā)的一輛屈服強度為400mpa的橋殼鋼。對于橋殼,不僅應該有足夠的強度,而且還要有足夠的沖擊性能,特別是在極端氣溫條件下,足夠的沖擊韌性和低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度是汽車安全的必要保證。FAS390Q鋼是通過控軋控冷細化晶粒的方法來獲得高力學性能的,如果橋殼的熱壓成形溫度過高,將導致鋼的晶粒粗化和力學性能下降;如果熱壓成形溫度過低,又將導致成形困難。因橋殼熱成形后在空氣中自然冷卻,相當于鋼的正火,為此研究了正火處理對FAS390Q鋼顯微組織、屈服強度、斷面收縮率、沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響,并與一汽目前使用的日產(chǎn)SMA570橋殼鋼的性能進行了對比,為汽車橋殼熱壓成形工藝設計提供了重要依據(jù)。1試驗強度及方法試驗用FAS390Q、SMA570鋼的主要化學成分見表1。按GB/T2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》標準要求,沿鋼板的軋制方向取樣,分別將試樣快速加熱到800、850、900℃保溫5min后空冷。根據(jù)GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》測量材料的屈服強度和斷面收縮率,根據(jù)GB/T229—1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》規(guī)定,將正火冷卻后的試樣加工成缺口深度為2mm的標準夏比U型沖擊缺口試樣,缺口開在軋制表面一側(cè)。在JBW-500屏顯式?jīng)_擊試驗機上進行沖擊試驗,試驗溫度在20℃(室溫)~-100℃之間,冷卻介質(zhì)采用無水乙醇+液氮,溫度控制在±2℃之內(nèi)。試樣在冷卻介質(zhì)中放置10min以充分冷卻,然后迅速取出放到試驗機的試樣支座上,確保從取出到打擊時間不超過2s。為保證結(jié)果在合理量程范圍內(nèi),經(jīng)試驗確定,對FAS390Q鋼在-80℃以下采用150J的打擊能量,其余溫度下為300J;對SMA570鋼,打擊能量均為150J。每個試驗溫度取3個試樣的平均值。用Axiovert200MAT型蔡司顯微鏡觀察金相組織,用SSX-550掃描電子顯微鏡和能譜儀進行斷口和能譜分析。2結(jié)果與分析2.1晶粒度對fas290q鋼的影響圖1是FAS390Q鋼經(jīng)不同溫度正火處理后的顯微組織。由于FAS390Q鋼是一種控軋控冷熱軋鋼,從圖1a的顯微組織照片可以看出,FAS390Q鋼熱軋后組織中的鐵素體、珠光體晶粒十分細小、均勻,晶粒被壓扁、拉長,畸變嚴重,基本沒有直線型的晶界、相界,晶粒度為11級,平均直徑7.9μm。由于FAS390Q鋼的臨界點Ac3為850℃,Ac1為730℃,因此在730℃以下加熱,僅發(fā)生回復和再結(jié)晶;730℃以上加熱,發(fā)生部分或全部奧氏體相變,空冷后新生成的鐵素體和珠光體晶粒尺寸變大和晶界規(guī)整化,加熱溫度越高,晶粒尺寸越大,規(guī)整化程度越高。FAS390Q鋼在800℃加熱正火時,按Fe-C平衡相圖近似計算有近60%的鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體;同時因加熱時間短,晶粒來不及長大,所以生成的奧氏體晶粒也十分細小,且成分不均勻,這樣,在隨后的冷卻過程中奧氏體分解的形核率就大,得到的先共析鐵素體和珠光體晶粒就十分細小,因此經(jīng)兩次重結(jié)晶后獲得的是細小的鐵素體和珠光體組織。未發(fā)生轉(zhuǎn)變的那部分鐵素體在熱力學條件的驅(qū)動下,晶粒也通過晶界移動,邊界也在一定程度上趨于平直。但因經(jīng)歷的高溫時間有限,晶粒來不及長大,仍然保持了細晶狀態(tài)。總之,800℃正火后晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)橼呌诘容S的、邊界清晰的多邊形(一般為四邊形)形狀,見圖1b的中上部分,但晶粒仍保持11級晶粒度水平。FAS390Q鋼在850和900℃加熱,為完全奧氏體相變,因加熱溫度高,原子擴散速度快,以及沒有鐵素體的阻礙作用,因此奧氏體及隨后空冷生成的鐵素體、珠光體組織增大,晶粒度分別為9.5和9.0級,平均晶粒尺寸為13.3和15.9μm,見圖1c、d。2.2晶粒尺寸與沖擊韌度韌性是金屬材料塑性變形和斷裂全過程吸收能量的能力,它是強度和塑性的綜合表現(xiàn)。正火對沖擊韌性有兩個相反的作用,一方面加熱可以消除控軋控冷產(chǎn)生的殘余應力和嚴重畸變,降低應力集中,使強度下降,塑性、韌性上升;但溫度過高或加熱時間過長,又會造成位錯密度大幅度降低、亞結(jié)構(gòu)消失,晶粒長大,強度、韌性下降。特別是晶粒尺寸對鋼的韌性有著重要影響,因為晶粒越小,晶界總面積越大,而晶界(1)是裂紋擴展的阻力;(2)使晶界前塞積的位錯數(shù)量減少,有利于降低應力集中;(3)晶界總面積增加,使晶界上的雜質(zhì)濃度減少,避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。圖2是正火溫度對FAS390Q鋼強度、塑性和室溫沖擊韌度的影響曲線。由圖2可見,FAS390Q鋼在800℃進行加熱正火,其沖擊韌度值最高。這是因為,鋼的沖擊韌性受兩方面影響,一方面,隨著正火溫度的提高,控軋控冷產(chǎn)生的殘余應力和嚴重畸變逐漸消失,鋼的沖擊韌性逐漸提高;另一方面,超過800℃后,鋼的晶粒長大(見圖1c、d),沖擊韌性下降,而800℃是保持11級晶粒度不變的最高溫度,所以兩個相反作用的疊加結(jié)果,使FAS390Q鋼在800℃正火的沖擊韌性最高。綜合考慮鋼的力學性能及熱壓成形方面的要求,以800℃溫度加熱最為合適。2.3韌-脆轉(zhuǎn)變溫度與斷口分析圖3是FAS390Q和SMA570鋼的沖擊韌度值-溫度關(guān)系曲線,由圖3可以看出,FAS390Q鋼的沖擊性能非常好,特別是低溫下的沖擊韌度值很高,20℃下高達238J·cm-2,即使在-60℃時仍然達121J·cm-2,比20℃下SMA570鋼的103J·cm-2還高14%;從20℃到-60℃是SMA570鋼的2.31倍到1.73倍,直到-80℃時才與后者趨于相近。正火后FAS390Q鋼的低溫沖擊韌性也有所提高。鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度有能量判據(jù)和斷口形貌判據(jù)兩種確定方法,其中以前者最為常用。一般鋼的沖擊韌性-溫度關(guān)系曲線呈“S”型,能量判據(jù)法是將上、下平臺平均值對應的溫度作為韌-脆轉(zhuǎn)變溫度tk的方法。然而FAS390Q鋼和SMA570鋼在-100~20℃范圍內(nèi)沖擊韌度-溫度曲線均近似呈直線型,而非通常的S型,沒有上、下平臺和拐點,這兩種鋼在-100℃下的沖擊韌性已經(jīng)很低(10J·cm-2左右),因此即使再降低試驗溫度到-120℃,也不會形成明顯的臺階,且-80℃斷口已經(jīng)呈完全脆性斷裂,表明這兩種鋼的沖擊韌度曲線確實不存在拐點,而非試驗溫度不夠低的緣故,這種情況和一些文獻的報道一致。因此對這樣的材料不能用能量法而應按斷口形貌性質(zhì)來確定韌-脆轉(zhuǎn)變溫度,即結(jié)晶區(qū)占整個斷口面積50%時的溫度作為韌-脆轉(zhuǎn)變溫度FATT50或t50。斷口晶狀面積的測定方法有對比法、游標卡尺測量法、放大測量法、卡片測量法等,其中對比法雖然粗略,但最為簡便、常用,本文采用這種方法。通過與GB/T12778—1991《金屬夏比沖擊斷口測定方法》中5.1斷口纖維斷面率圖譜對比,得出FAS390Q鋼試樣斷口的纖維斷面率,如表2所示。由表2可以看出,FAS390Q鋼的零塑性轉(zhuǎn)變溫度為-80℃,零解理斷口轉(zhuǎn)變溫度為0℃,而半解理斷口對應的溫度大約為-50℃,即韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-50℃,正火后韌-脆轉(zhuǎn)變溫度下降了10℃,為-60℃。同樣得到SMA570鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-20℃。圖4、5分別是FAS390Q鋼試樣沖擊斷口的掃描電鏡形貌和能譜分析圖譜。從圖4a,b可以看出,試驗在0℃以上沖擊時,斷口宏觀上為完全韌性斷口(見表2),微觀上則為尺寸相差懸殊、大小不等的韌窩。一些韌窩的尺寸很大(15~20μm),韌窩內(nèi)有螺旋形滑移條紋(圖4b的左下部),表明該處經(jīng)歷過很大的塑性變形,說明FAS390Q鋼的塑性很好,所以鋼的沖擊韌性很高。導致韌窩生核的夾雜物為MnS、FeS和CaO或其復合化合物,見圖5。-60℃以下沖擊時,斷口宏觀上以脆性為主,-80℃以下則為完全脆性斷裂,微觀上則呈現(xiàn)出扇形解理和撕裂嶺花樣。斷裂中形成了很多二次裂紋或空洞,增加了表面積,相應地增大了表面能和吸收功,進一步提高了沖擊韌性,見圖4c。圖4d為圖3c中箭頭所指處的撕裂嶺的高倍圖像。撕裂嶺是相距較遠的兩個平行解理面間通過撕裂(剪切)方式形成的臺階,其上有很多細小的孔洞,也在一定程度上提高了韌性。另外從圖4可以看出,斷口中沒有沿晶斷裂,說明晶界比較純凈,也是韌性高的原因之一。3討論3.1低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的含量鋼中的雜質(zhì)元素S、P等通常偏聚于晶界,從而降低了晶界的表面能,增大了沿晶脆性斷裂傾向,降低脆斷應力,提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度,其中P的影響最為嚴重,因此應嚴格限制其含量。GB/T1591—1994《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》標準中對S、P的含量作了規(guī)定,分別為<0.025P、S。表3是FAS390Q、SMA570鋼及GB/T1591—1994標準中規(guī)定的S、P含量的對比,由表3可見,FAS390Q鋼中的P含量不到SMA570鋼中P含量的一半,S含量也僅是GB/T1591—1994標準中的60%,與SMA570鋼比,FAS390Q鋼的沖擊韌性高,韌脆轉(zhuǎn)變溫度低。3.2材料的斷裂系金屬材料有兩個強度指標,屈服強度和斷裂強度。斷裂強度隨溫度變化很小,因為熱激活對裂紋擴展的力學條件沒有顯著作用;但屈服強度σs卻對溫度變化十分敏感。溫度降低,屈服強度急劇升高,故兩曲線相交于一點,交點對應的溫度即為tk(圖6中A點、B點)。高于tk時,σc>σs,材料先屈服后斷裂,為韌性斷裂;低于tk時,外力先達到σc,材料表現(xiàn)為脆性斷裂。800℃正火使屈服強度下降了3%(由405MPa降到392MPa),屈服強度曲線由σs熱軋左移到σs正火,則交點由A點轉(zhuǎn)移到B點,韌脆轉(zhuǎn)變溫度由tk熱軋(-50℃)降至tk正火(-60℃)。4正火對fas290q鋼沖擊韌性的影響(1)隨著正火溫度的提高,控軋控冷形成的顯微畸變組織逐漸消失,800℃以下正火晶粒度保持11級不變,超過800℃,晶粒開始長大。(2)在600~700℃正火,對鋼的屈服強度和斷