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【新刊速览】​曹方:高氮不锈轴承钢碳化物分布与高温断裂机制
   发布时间:2022-07-12 09:42:59 来源:ror在线体育平台

  通过高温拉伸试验研究高氮不锈轴承钢高温断裂行为,探究了170 ℃和470 ℃回火态钢中碳化物分布特征,分析了高温拉伸断裂及组织演变和碳化物分布规律。研究发现,回火温度从170 ℃升高至470 ℃,高氮钢中大于0.8 μm的碳化物明显增加,高氮钢中M23C6强化增量提高了2.59 MPa,固溶强化增量下降了118.82 MPa,470 ℃回火态钢的室温抗拉强度降低、拉伸断口表现为准解理和少量撕裂韧窝;拉伸温度升高至300 ℃,试样断口表现为等轴型韧窝特征,170 ℃和470 ℃回火态试样起裂源断裂碳化物尺寸分别为2.8~3.6 μm和5.5~6.7 μm;450 ℃拉伸断口表现为塑孔韧窝特征,170 ℃和470 ℃回火态试样起裂源断裂碳化物尺寸分别为2.7~3.4 μm和5.8~6.4 μm。拉伸温度从300 ℃提高至450 ℃,钢的固溶强化和位错强化作用减弱,金属原子间结合能下降,碳化物与基体不连续应力分布加剧变形不协调性,碳化物承担较高应力而发生断裂。单纯热作用下钢中0.5~0.8 μm尺寸碳化物数量比例增加;在热力耦合作用下,钢中应力所导致的位错增殖为碳元素扩散提供通道,钢中碳化物在晶界和位错线 μm碳化物。裂纹沿着与拉伸方向45°角的最大剪力方向快速扩展而断裂,最终形成锯齿状的断口,小尺寸碳化物增多阻碍位错滑移导致塑性降低;钢中大尺寸碳化物不均匀分布在碳化物间形成大变形塑孔而增加钢的塑性。

  随着国内航空航天、海洋工程和高铁技术的发展,轴承服役环境趋于复杂苛刻,对轴承材料耐蚀、高温等性能提出更高要求。现今轴承钢钢种的发展从满足单一的高硬度、高耐磨、室温接触疲劳性能,向兼备耐温、耐蚀等良好服役性能方向发展,以满足高端轴承日益增长的对不同复杂环境中长寿命和高可靠性的服役要求。高氮不锈轴承钢在高碳铬马氏体不锈轴承钢基础上,通过降低碳含量增加氮含量,得到强度高、耐蚀性好、摩擦磨损性能优良以及较好的高温性能,获得广泛的应用。

  Merchant H D等提出金属材料硬度随温度升高呈指数下降。杨晨星等通过研究镍铬轴承合金时发现高温下γ′相共格应变强化作用能够显著提高硬度。贾钰泽等通过研究不同回火温度对高氮马氏体不锈轴承钢碳化物演变的影响发现,300~450 ℃回火时,M23C6型碳化物平均尺寸由0.48 μm增大到0.52 μm,碳化物面积分数增加、析出强化作用明显。刘庆冬等研究Nb-V微合金钢发现碳化物极易在马氏体中高密度位错等缺陷处形核长大,碳化物生长受温度和时间影响,生长方向与合金元素含量有关。

  本文主要研究高氮钢40Cr15Mo2VN在170 ℃和470 ℃回火条件下,碳化物分布特征对强度的影响作用,分析了不同温度下硬度变化以及拉伸断裂行为和碳元素扩散行为,为进一步研究高氮钢的显微组织演变和高温断裂行为提供了一定的参考。

  (1)回火温度从170 ℃升高至470 ℃,470 ℃回火态高氮钢中1.3~2.7 μm碳化物聚集,形成团簇,团簇间距离达10 μm;高氮钢中大于0.8 μm碳化物明显增加,M23C6强化增量提高了2.59 MPa,固溶强化增量下降了118.82 MPa,470 ℃回火态钢的室温抗拉强度降低,钢的室温拉伸断口表现为准解理和少量撕裂韧窝,无明显颈缩现象。

  (2)拉伸温度从300 ℃升高到450 ℃,钢的固溶强化和位错强化作用减弱,金属原子间结合能下降,碳化物与基体不连续应力分布加剧变形不协调性,碳化物承担较高应力而发生断裂。170 ℃回火态钢中析出大量小尺寸碳化物,碳化物的钉扎作用阻碍位错运动,导致高氮钢断后伸长率和断面收缩率下降;470 ℃回火态钢中团簇碳化物间基体变形量大,形成2.8~4.3 μm的塑孔,导致470 ℃回火态钢断后伸长率和断面收缩率升高。

  (3)300 ℃拉伸条件下,高氮钢的固溶及位错强化作用弱化导致钢的塑性增加,裂纹在碳化物链处萌生裂纹并扩展而形成长度小裂纹,小裂纹周围碳化物承受大应力而发生断裂。拉应力与剪切应力共同作用导致试样区域碳化物簇断裂而形成的裂纹与小裂纹连接,裂纹沿着碳化物和小裂纹快速扩展而形成最大起伏为50 μm锯齿状断口。

  (4)高氮钢的450 ℃热力耦合作用导致碳化物析出而弱化固溶及位错强化作用,裂纹在碳化物链处萌生裂纹并扩展而形成小裂纹,小裂纹周围碳化物承受大应力而发生断裂。拉应力与剪切应力共同作用导致试样区域碳化物簇断裂,碳化物簇间距基体大变形而形成塑孔,碳化物裂纹沿着碳化物和小裂纹快速扩展到边缘剪切断裂而形成杯锥型断口。

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