亞溫淬火對T217鋼性能的影響

牛立群 解明 魏海東 李偉

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅蘭州 730050)

亞溫淬火對T217鋼性能的影響

牛立群 解明 魏海東 李偉

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅蘭州 730050)

通過對亞共析鋼T217鋼分別采取淬火+回火和淬火+亞溫淬火+回火處理,探討這兩種工藝和亞溫淬火的溫度和保溫時間對亞共析鋼T217鋼性能的影響,最后找出T217鋼最佳亞溫淬火熱處理工藝。本文對于T217鋼類似的鋼種亞溫淬火熱處理工藝的制定具有一定的指導意義。

亞溫淬火 T217鋼 熱處理 力學性能

鋼熱處理的主要工藝過程是加熱和冷卻。對于絕大多數(shù)熱處理工藝而言，不論在加熱和冷卻過程中材料化學成分是否發(fā)生變化，都是通過改變材料的力學性能或物理性能、化學性能來改善材料的加工工藝性能或工件的服役能力[1]。低溫沖擊韌性作為材料的一個重要的性能指標，低溫沖擊性能是低溫結(jié)構設計和選材的重要依據(jù)及評定標準。為了防止低溫設備的脆性破壞，提高設備的可靠安全性，一般要求低溫用材具有高的低溫韌性[2]。本文以T217鋼在低溫環(huán)境下的實際應用為出發(fā)點，研究了經(jīng)兩種不同工藝熱處理的T217鋼在-40和-20℃下的沖擊性能。基于此本文對T217鋼經(jīng)過亞溫淬火處理的性能進行研究，為T217鋼亞溫淬火的熱處理工藝的制定提供技術參考。

表1 T217鋼原始成分(質(zhì)量分數(shù),%)

表2 T217鋼亞溫淬火與調(diào)質(zhì)處理工藝獲得力學性能的比較

1 材料的實驗及方法

1.1 實驗材料

本實驗的原料為鑄態(tài)的T217鋼。試樣的化學成分見表1。

1.2 熱處理方案

(1)對T217鋼進行880℃保溫2小時，然后進行水淬水冷。

(2)然后將淬火后的試樣進行不同溫度(780、800和830℃)和不同保溫時間2h、3h和5h的亞溫淬火，最后將所有的試樣在560℃下保溫3h進行高溫回火。

1.3 沖擊試驗

試驗前檢查擺錘空擋是否為零，其偏差不應超過最小分度值的四分之一，試驗溫度選為-20℃和-40℃兩種情況，分別測得試樣在一次沖擊載荷下折斷時的沖擊吸收功AK(J)。

1.4 拉伸試樣

參照GBT228-2002拉伸試樣國家標準，采用Instron-5569型電子萬能力學試驗機進行常溫壓縮力學性能測試。分別測得屈服強度(Rel)和抗拉強度(Rm)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 亞溫淬火與傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理的比較

傳統(tǒng)上一般采用淬火+高溫回火(調(diào)質(zhì)處理)來改變的鋼的性能。根據(jù)經(jīng)驗公式AC3(℃)=910-203C1/2-15.2Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W-(30Mn+11Cr+20Cu-700P-400Al-120As-400Ti，把T217鋼的成分代入，算出AC3的溫度大約為830℃，所以T217鋼的淬火溫度一般為880℃左右。亞溫淬火是一種新型的、利用超細化復合組織強韌化的熱處理工藝[3]。表2給出了T217鋼亞溫淬火工藝與傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理工藝所獲得力學性能的比較。由表2可知T217鋼880℃淬火+800℃亞溫淬火+560℃回火處理強度和塑性高于880℃?zhèn)鹘y(tǒng)調(diào)質(zhì)處理的各項性能，而且-20和-40℃的低溫沖擊性能得到很大的提高。這說明了，亞溫淬火對合金的低溫沖擊韌性很大的幫助。

2.2 亞溫淬火溫度對力學性能的影響

采用相同的預處理880℃水淬水冷，然后分別進行780、800、830℃保溫2h水淬，進行560℃保溫3h回火。圖1亞溫淬火溫度對T217鋼力學性能的影響。由圖1可知，T217鋼的屈服強度和抗拉強度隨著亞溫淬火的溫度增大而增大;斷面伸長率(δ)和斷面收縮率(ψ)和低溫沖擊功都在隨著亞溫淬火的溫度升高而降低。根據(jù)鐵碳相圖，在兩相區(qū)亞溫淬火保溫溫度越大，鐵素體的所占的體積分數(shù)越少，亞溫淬火后殘留鐵素體的含量越少。由于鐵素體的強度低、塑性好，它所占的體積分數(shù)必然會引起材料性能。亞溫淬火的溫度不同，淬火組織鐵素體的含量也不同[4]。亞溫淬火保留了一些殘留的鐵素體，這些鐵素體可以有效降低馬氏體中的位錯的堆積量，吸收應變能減小應力集中，從而提高裂紋的形成和擴展能力。亞溫淬火鋼的性能與殘留鐵素體的所占體積分數(shù)有關，亞溫淬火的溫度決定殘留鐵素體的數(shù)量。

圖1 亞溫淬火溫度對T217鋼力學性能的影響

圖2 亞溫淬火保溫時間對T217鋼力學性能的影響

2.3 亞溫淬火保溫時間對力學性能的影響

爐中的工件應在規(guī)定的加熱溫度范圍內(nèi)保持適當?shù)臅r間，保證必要的組織轉(zhuǎn)變和擴散。保溫時間與工件的有效厚度、鋼種、裝爐方式、裝爐量、裝爐溫度、爐的性能及密封程度等因素有關[5]。采用相同的預處理880℃水淬水冷，然后進行800℃分別保溫2、3、5h水淬，進行560℃保溫3h回火。由圖2可知，隨著亞溫淬火保溫時間增加，T217鋼的力學性能指標程下降的趨勢。可能是保溫時間的延長會導致氧化脫碳，馬氏體中碳含量降低，強度硬度下降[6]。另一個原因就是保溫時間增加，導致了晶粒的粗大，根據(jù)Hall-petch公式[7]，材料的綜合力學性能指標下降。這是因為粗大的晶粒受到外力發(fā)生塑性變形不均勻，應力集中大;而且晶粒越粗大，晶界面積越小，晶界取向約平直，有利于裂紋的擴展。

3 結(jié)語

(1)與常規(guī)的調(diào)質(zhì)處理相比，亞溫淬火使T217的力學性能的指標有很大的提高，表明亞溫淬火工藝能夠調(diào)整材料的綜合力學性能。

(2)亞溫淬火的溫度決定殘留鐵素體的數(shù)量，T217鋼隨著亞溫淬火溫度的升高，殘留鐵素體體積分數(shù)降低，鋼的強度升高，塑性下降。亞溫淬火的保溫時間越長，強度、斷面伸長率和斷面收縮率都在下降，低溫沖擊功也在下降。

(3)T217鋼經(jīng)880℃淬火(2h)+800℃亞溫淬火(2h)+560℃高溫回火(3h)的熱處理，屈服強度達655MPa，抗拉強度達到795MPa，-20℃和-40℃的低溫沖擊功分別達到了42J和27J。

[1]夏立芳.金屬熱處理工藝[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社,2010.

[2]趙義,王福.熱處理工藝對17-4PH鋼低溫沖擊性能的影響[J].金屬熱處理,2011,36(4)：21-24.

[3]張永峰,王任甫,牛繼承.亞共析鋼的亞溫淬火及其強韌化[J].熱加工工藝,2010,40(4)：163-166.

[4]顧曉輝,劉軍,石繼紅.亞溫淬火工藝對45鋼組織和性能的影響[J].金屬熱處理,2011,36(11)：69-72.

[5]李泉華.材料熱處理工程師資格考試指導書[M].北京：中國機械工程學會熱處理分會,2008.

[6]孫嵐.加熱保溫時間對5CrMnMo鋼機械性能的影響機理[J].鄭州大學學報,1997,29(4)：48-51.

[7]Liu M Y,Shi B,Wang C,et al.Normal Hall-Petch behavior of mild steel with submicron grains[J].Materials letters,2003,5(19)：2798-2802.

Aiming at an optimized heat treatment method, two different processes, namely quenching + tempering and quenching + subcritical quenching + tempering have been carried out to investigate the effect of the processing method, subcritical quenching temperature and holding time on the property of the T217 steel. Therefore, the present research enjoys a guiding significance in the heat treatment process of T217 steel and the like .

Subcritical quenching T217 steel Heat treatment Mechanical property

牛立群,1984年生,男,黑龍江大慶人,2014年畢業(yè)于哈爾濱工程大學材料學專業(yè),助理工程師。