金属学报(中文版)  2018 , 54 (9): 1245-1252 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00562

Orginal Article

高能瞬时电脉冲处理对42CrMo钢组织与性能的影响

潘栋, 赵宇光, 徐晓峰, 王艺橦, 江文强, 鞠虹

吉林大学材料科学与工程学院汽车材料教育部重点实验室 长春 130025

Effect of High-Energy and Instantaneous Electropulsing Treatment on Microstructure and Propertiesof 42CrMo Steel

PAN Dong, ZHAO Yuguang, XU Xiaofeng, WANG Yitong, JIANG Wenqiang, JU Hong

Key Laboratory of Automobile Materials, Ministry of Education, Department of Materials Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China

中图分类号:  TG142.1

文章编号:  0412-1961(2018)09-1245-08

通讯作者:  通讯作者 徐晓峰,xuxiaofeng@jlu.edu.cn,从事金属材料强韧化方向的研究

收稿日期: 2017-12-29

网络出版日期:  2018-09-11

版权声明:  2018 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

基金资助:  国家自然科学基金项目No.51701080

作者简介:

作者简介 潘 栋,男,1991年生,博士生

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摘要

采用XRD、SEM及TEM等手段,研究了42CrMo钢经高能瞬时电脉冲及传统处理后组织与性能的变化。结果表明,480 ms电脉冲处理后水冷(EPQ)处理可细化42CrMo钢的晶粒和组织,促进残余奥氏体及孪晶马氏体的形成,处理后的综合力学性能比传统淬火(TQ)态42CrMo钢提高32%;随后的180 ms电脉冲处理后空冷(EPT)处理可提高EPQ态42CrMo钢中残余奥氏体的稳定性,促进复相组织的形成,处理后的综合力学性能比其经传统回火(TT)处理后提高13.9%。

关键词: 电脉冲处理 ; 42CrMo钢 ; 多相组织 ; 残余奥氏体 ; 强塑积

Abstract

42CrMo steel was widely used in many industry fields for its excellent hardenability and high temperature strength. Many transmission mechanisms and fasteners, such as roller and heat-resistant gear, are made of this steel. However, the ductility of 42CrMo steel is relatively low after quenching and tempering. During high tempering Mo riched carbides at grain boundary and undecomposable martensite at low tempering are the main reasons for poor ductility of 42CrMo steel. Grain refinement can enhance both strength and ductility significantly, but traditional refinement technology will cause intergranular oxidation so that strengthening effect was weak. Although thermomechanical treatment can achieve dynamic recrystallization, its refinement effect is unstable. Elecropulsing treatment, which makes significant change in microstructure and properties of metals, has been applied in many fields such as, modification of solidified microstructure of liquid metal, healing of fatigue crack, nanocrystallization of amorphous materials and so on. Moreover, this process can produce superior mechanical properties in metals. In order to improve the mechanical properties of 42CrMo steel better, high-energy and instantaneous electropulsing treatment was applied. In this contribution, 42CrMo steel was subjected to traditional and electropulsing treatment individually. It was found that EPQ treatment (480 ms electropulsing treatment, water cooled) results in finer grain, promoting the formation of retained austenite and twin martensite; EPT treatment (180 ms electropulsing treatment, air cooled) can stabilize retained austenite in EPQ specimen and induce multiphase structure. Mechanical properties results indicate that strength-ductility balance of EPQ and EPQ+EPT specimen are 32% and 13.9% higher than that of TQ (traditional quenched) and EPQ+TT (traditional tempered) specimen respectively.

Keywords: electropulsing treatment ; 42CrMo steel ; multiphase microstructure ; retained austenite ; strength-ductility balance

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潘栋, 赵宇光, 徐晓峰, 王艺橦, 江文强, 鞠虹. 高能瞬时电脉冲处理对42CrMo钢组织与性能的影响[J]. 金属学报(中文版), 2018, 54(9): 1245-1252 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00562

PAN Dong, ZHAO Yuguang, XU Xiaofeng, WANG Yitong, JIANG Wenqiang, JU Hong. Effect of High-Energy and Instantaneous Electropulsing Treatment on Microstructure and Propertiesof 42CrMo Steel[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2018, 54(9): 1245-1252 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00562

42CrMo钢属于中碳低合金钢,具有较高的淬透性及高温蠕变强度,一般以调质态作为使用状态,广泛用于制造增压器传动齿轮、轧辊、高强螺栓、核电站环形起重机用车轮以及高炉炼铁溜槽装置等[1]。随着机械工业的发展,传动机构及紧固件承受的载荷不断提高,这对42CrMo钢的综合力学性能提出了更高的要求,而传统的热处理方法很难同时提高42CrMo钢的强度和塑性[2,3]

在传统调质处理中,42CrMo钢高温回火时易沿晶界析出富Mo碳化物,产生回火脆性;而中低温回火时,Cr、Mo等强碳化物形成元素的存在使马氏体不易分解,塑性很难提升,这是调质态42CrMo钢塑性低的主要原因。目前,晶粒细化是同时提高强度与塑性最为有效的方式。循环调质处理作为一种广泛使用的热处理方法,可大大细化42CrMo钢的晶粒[4],但同时会严重氧化晶界,无法显著提高综合力学性能。高温变形作为钢铁材料细化组织的有效方法,可显著细化42CrMo钢的晶粒,但其工艺存在变形参数(温度、变形量)要求高、工艺繁琐且细化效果不稳定等问题[5]

高能瞬时电脉冲处理作为一种快速、高效的材料改性手段,可以显著改善金属材料的显微组织与力学性能[6,7,8,9,10]。Zhang等[11]对奥氏体锰钢施加脉冲电流,发现晶粒尺寸显著降低,抗拉强度及断裂韧性得到大幅提升。郭晓楠等[12]发现对冷变形H62黄铜施加脉冲电流后,位错缠结的结构消失,塑性提高。Lu和Qin[13]认为电脉冲处理可使DP600双相钢中位错的交互作用增强,促进亚晶界形成及晶粒细化。

本工作采用高能脉冲电流对42CrMo钢进行调质处理,以期大幅提升其综合力学性能。同时结合传统的热处理手段,研究经不同处理方式后42CrMo钢显微组织和力学性能的变化规律。

1 实验方法

本实验所用材料为商用42CrMo热轧钢,化学成分(质量分数,%)为:C 0.42,Mn 0.60,Si 0.25,Cr 0.99,Mo 0.11,P 0.003,S 0.001,Fe 余量。经计算其奥氏体转变终止温度Ac3为802 ℃[14]。采用数控线切割机将厚度为10 mm的热轧板沿轧制方向切割成尺寸为55 mm×10 mm×2.5 mm的薄片,按图1a所示的工艺流程进行处理。

图1   实验工艺流程图及电脉冲处理装置示意图

Fig.1   Process diagram (a) and schematic of electro-pulsing equipment (b) (EPQ—electropulsing treatment with water-cooling (WC), TQ—traditional quenching, EPT—electropulsing treatment with air-cooling (AC), TT—traditional tempering)

采用如图1b所示的装置进行施加脉冲电流后水冷(EPQ)和施加脉冲电流后空冷(EPT)处理,电流频率为50 Hz。EPQ处理时长为480 ms,电流密度为6.82×107 A/m2;EPT处理时长为180 ms,电流密度为9.97×107 A/m2。采用箱式电阻炉对传统淬火(TQ)及EPQ态试样进行回火(TT)处理,TQ处理温度为850 ℃,TT处理温度为620 ℃,保温时间均为6 min。采用TBSC红外测温仪测定电脉冲处理时的温度。

试样经磨抛后在4% (体积分数)硝酸酒精溶液中腐蚀5~10 s,采用Axio Imager M2M型光学显微镜(OM)观察EPQ和TQ态试样的显微组织,采用EVO18型扫描电镜(SEM)观察EPQ+EPT和EPQ+TT态试样的显微组织。EPQ和TQ态试样磨抛后在4% (体积分数)苦味酸酒精溶液中腐蚀10 min后观察原奥氏体晶粒大小,腐蚀温度50 ℃;打磨至30 μm后采用20% (体积分数)高氯酸酒精溶液,在-20 ℃和30 V电压下进行电解双喷减薄,然后采用JEM-2100型透射电镜(TEM)进行显微结构观察和选区电子衍射(SAED)分析。

采用MTS-810力学性能试验机进行拉伸性能测试,拉伸速率0.3 mm/min。拉伸试样总长度为45 mm,宽度为10 mm,厚度为2 mm;标距长度为10 mm,宽度为3 mm;夹持端长度为9 mm,过度圆半径为5 mm 。采用D/Max 2500PC型X射线衍射仪(XRD)进行XRD分析,射线源为CuKα,工作电压及电流为50 kV和300 mA,波长为0.15418 nm,扫描速率为2°/min。

2 实验结果与分析

2.1 淬火态及回火态42CrMo钢的显微组织

初始态 (热轧态)及淬火态 (TQ、EPQ)试样的显微组织如图2所示。可见初始组织由羽毛状上贝氏体和索氏体组成(图2a),淬火后组织均转变为板条马氏体(图2b和c)。与TQ试样相比,EPQ试样中板条马氏体的宽度较小,且存在少量的针状马氏体。

图2   初始及淬火态试样的OM像

Fig.2   OM images of initial (a), TQ (b) and EPQ (c) samples

经红外测温仪测得EPQ处理时温度为835 ℃,而TQ处理温度为850 ℃,2种处理方法温度均超过Ac3,所以水冷后都会形成马氏体,但2种状态的马氏体板条宽度与形貌均存在明显差异(图2b和c)。其中,马氏体板条宽度取决于奥氏体的晶粒度[15],奥氏体晶粒越细,晶界体积分数越大,马氏体的形核率会越高,其板条宽度也就越小。

具体的原奥氏体晶粒尺寸及分布如图3所示。可见,TQ试样的晶粒尺寸范围为10~50 μm,平均尺寸为19 μm;EPQ试样的晶粒尺寸分布在5~21 μm之间,平均尺寸为8.3 μm,比TQ试样减少56.3%。EPQ试样中尺寸分布在5~7 μm之间的晶粒,对应的数量及面积分数最高,各为66%和53%;而在TQ试样中,10~15 μm晶粒的面积仅占6%。可见,EPQ处理对晶粒的细化十分显著。

图3   淬火态试样原奥氏体晶粒形貌及数量分布直方图

Fig.3   Microstructures (insets) and distribution statistics of prior austenite grain of TQ (a) and EPQ (b) samples

EPQ处理后晶粒尺寸的减小与脉冲电流对奥氏体相变Gibbs自由能(ΔGelec)的影响有关[16]

ΔGelec=[ΔVj2K(σα-σγ)]/(σγ+2σα)(1)

式中,ΔV是晶胚体积,j为电流密度,K是与材料有关的系数,σγσα为奥氏体及铁素体的电导率,以上各项参数均大于零。当体系温度超过Ac3时,σγ >σα,所以ΔGelec<0,这说明EPQ处理降低了铁素体及碳化物向奥氏体转变的势垒。根据经典形核理论,电能输入对奥氏体形核率(Ielec)的影响可表示为[17]

Ielec=I0exp(-ΔGelec/(RT))(2)

式中,I0是无电流输入时奥氏体形核率,R是Boltzmann常数,T是热力学温度,以上各项参数均大于零。由式(2)可知,EPQ处理时奥氏体形核率Ielec>I0,这表明EPQ处理可提高奥氏体形核率。而极短时间的处理和快速水冷可抑制新形核奥氏体晶粒的长大,因而EPQ处理后晶粒尺寸比TQ试样小。

马氏体的形貌与其亚结构密切相关,而C含量是影响马氏体亚结构的根本原因[18]。C浓度较高时,马氏体形态呈针状,亚结构为孪晶;C浓度较低时,马氏体呈板条状分布,亚结构为高密度位错。为分析EPQ处理对马氏体亚结构的影响,对TQ与EPQ试样进行TEM及SAED分析,如图4所示。可知TQ试样中马氏体含有高密度位错,板条宽度分布比较均匀,约为100 nm (图4a)。EPQ试样中板条马氏体宽度范围为40~90 nm (图4e),平均宽度约为60 nm,比TQ试样减少40%;针状马氏体束平行分布,具有孪晶的形貌特征(图4c和d)。

图4   淬火态试样中马氏体的TEM像及SAED谱

Fig.4   TEM images (a, c, e) and SAED patterns (b, d, f) of lath martensite in TQ samples (a, b), twin martensite (c, d) and retained austenite films (e, f) in EPQ samples (M—martensite, T—twin, RA—retained austenite)

TEM分析可知,EPQ试样中存在2种马氏体,表明EPQ试样中不同区域的C浓度存在差异。由于热轧态42CrMo钢中含有上贝氏体及索氏体组织(图2a),这2种组织均由铁素体和碳化物组成。其中,铁素体的C浓度较低,而碳化物的C浓度较高,由此可见,初始组织中的C浓度分布不均匀。同时,EPQ处理的时间极短,无法实现C的均匀化。因此,快速水冷后形成的马氏体中,C分布亦不均匀:C浓度较高的区域易形成针状马氏体,C浓度较低的区域会形成板条马氏体。

值得注意的是,EPQ试样中板条马氏体边界分布有薄膜状组织(图4e),SAED谱分析表明薄膜状组织为奥氏体(图4f),其中(111)γ //(011)M、[111]M//[110]γ,马氏体、奥氏体两相呈K-S位向关系[19];而TQ试样中并未发现奥氏体的存在(图4b)。TEM分析结果表明,与TQ试样相比,EPQ试样含有更多的残余奥氏体。由于TEM分析选区受限,上述结果的出现可能存在偶然性。为排除该结果的偶然性,对EPQ及TQ试样进行了XRD分析,如图5所示。可见EPQ试样的衍射峰更宽,表明其原奥氏体晶粒较细,与图3的结果一致。同时,在2θ为50.4°及75.6°处出现奥氏体的特征峰,而TQ试样的XRD谱中未出现奥氏体特征峰,这充分证实了SAED分析的结果(图4b和f)。

图5   淬火及回火态试样的XRD谱

Fig.5   XRD spectra of quenched and tempered samples

研究[20]表明,奥氏体晶粒尺寸减小会提高马氏体与奥氏体间的界面能,从而使马氏体转变起始温度Ms下降,奥氏体稳定性提高,当奥氏体晶粒尺寸小于10 μm时,Ms显著下降。EPQ试样奥氏体晶粒平均尺寸小于10 μm,故需对其残余奥氏体的Ms进行定量分析。

图5中EPQ试样的XRD谱中,晶面指数为(200)的残余奥氏体,其对应的2θ约为50.4°,由Bragg公式可知:

aγ=λ(h2+k2+l2)-1/2/(2sinθ)(3)

式中,λ为波长,hkl为晶面指数,θ为衍射角,aγ为残余奥氏体的晶格常数。经计算,aγ为0.362113 nm,由此计算残余奥氏体的含C量wC [21]:

aγ=3.556+0.0453wC+0.00095wMn+0.0056wAl(4)

式中,w为奥氏体中各元素的含量,除C元素外,其余元素的含量可由本实验用42CrMo钢的成分近似代替。经计算可知,wC约为1.4246%。Ms可表达为[22]

Ms=539-423wC-30.4wMn-12.1wCr-7.5wSi(5)

计算可得Ms=-96 ℃,远低于室温。由此可知EPQ试样中残余奥氏体具有很高的稳定性。

以EPQ试样作为回火处理的初始试样,回火后的组织如图6所示。EPT处理后马氏体板条形态消失,但仍保持浮凸形貌,组织转变为回火马氏体(TM)及索氏体(S),同时还存在层片状组织(RA) (图6a);TT处理后,组织转变为索氏体(图6b)。为定性分析层片状组织,对其进行XRD分析,如图5所示,EPQ+EPT试样的XRD谱中出现奥氏体的特征峰而在EPQ+TT试样中仅存在马氏体的特征峰,表明层片状组织为奥氏体。

图6   回火态试样的显微组织

Fig.6   SEM images of EPQ+EPT (a) and EPQ+TT (b) samples (TM—tempered martensite, S—sorbite)

EPT处理时,经红外测温仪测得温度为614 ℃,但由于处理时间极短,马氏体无法彻底分解。EPQ试样中存在2种不同形态的马氏体,在极短时间内这2种马氏体受脉冲电流影响的程度不同:针状马氏体C浓度更高,回火时其分解所需的驱动力更小,易形成索氏体,而板条马氏体中的C含量较低,碳化物析出所需的驱动力高,最终形成回火马氏体。TT处理的温度处于高温回火范围,同时保温时间也比较长,这为马氏体向索氏体转变提供了充分的热力学与动力学条件。

研究[23]表明,电脉冲处理时,金属材料内存在温度梯度,可产生较高热压应力且最高应力可达1000 MPa。在热压应力的作用下,EPQ试样中残余奥氏体的稳定性得到提高,在处理后得到保留,而TT处理时,残余奥氏体有足够的时间分解,最终与马氏体一起转变为索氏体。

由以上讨论可知,与TQ处理相比,EPQ处理可细化42CrMo钢中的板条马氏体与奥氏体晶粒,促进残余奥氏体的形成,使42CrMo钢具有多种组织结构;与TT处理相比,EPT处理可抑制残余奥氏体的分解,处理后可得到含有回火马氏体、索氏体及残余奥氏体的多相组织。

2.2 淬火态及回火态42CrMo钢的力学性能

图7a~c给出了初始试样、淬火态试样及回火态试样的力学性能,详细数值列于表1中。图7a所示为不同处理状态试样的拉伸曲线。可知,与初始试样相比,淬火态试样的屈服强度及抗拉强度均大幅提升而延伸率有所下降,并且,EPQ试样的强度及延伸率均高于TQ试样。回火后马氏体分解,试样的强度均有所下降而延伸率大幅提高。由于EPQ+EPT试样中存在回火马氏体,其强度高于EPQ+TT试样。虽然回火马氏体仍存在一定程度的内应力,对塑性不利,但残余奥氏体对裂纹扩展的阻碍作用使EPQ+EPT试样仍具有18.2%的延伸率。值得指出的是,EPQ+TT试样的拉伸曲线存在明显的屈服阶段而EPQ+EPT试样的拉伸曲线无明显的屈服点。

图7   初始态、淬火态和回火态试样的拉伸及加工硬化曲线

Fig.7   Tensile curves (a), normalized work-hardening rates of quenched samples (b) and tempered samples (c) (ε—true strain)

表1   初始态、淬火态及回火态试样力学性能

Table 1   Mechanical properties of initial, quenched and tempered samples

StateYS / MPaUTS / MPaEL / %nSD / (MPa·%)
As received625110015.2-16720
TQ93618207.40.6413468
EPQ115419988.90.8317782
EPQ+TT856125319.40.8224308
EPQ+EPT947152118.20.8927682

Note: YS—yield strength, UTS—ultimate tensile strength, EL—elongation, n—work-hardening coefficient, SD—strength-ductility balance

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图7b和c所示为淬火态试样和回火态试样的加工硬化率曲线。加工硬化率Θ=(dσ/dε)/σ,其中σ为真应力,ε为真应变。可知,与TQ试样相比,EPQ试样的初始加工硬化率较高且其具有更好的持续加工硬化能力;EPQ+EPT试样的初始加工硬化率高于EPQ+TT试样,而当真应变超过0.04后,EPQ+TT试样的加工硬化率高于EPQ+EPT试样。从表1中可以看出,经电脉冲处理后试样的加工硬化指数均比其经相应的传统处理后高。

试样的综合力学性能可由强塑积(抗拉强度与断裂延伸率的乘积)表示[24],其计算结果如表1所示。EPQ试样的强塑积比初始试样提高了6.4%,而TQ试样的强塑积比初始试样降低了19.4%;EPQ试样经回火处理后,强塑积均有大幅提升:TT处理后,42CrMo的强塑积比初始试样提高了45.3%,EPT处理后强塑积比初始试样高65.6%。

不同状态试样力学性能上的差异与它们在显微组织上的差别密切相关。因为EPQ试样的晶粒尺寸较小(图3),所以其晶界的数量更多,变形更均匀,塑性也就比TQ试样高。同时,由Hall-Petch效应可知,晶粒细化可引起屈服强度的提高,因而EPQ试样的强度高于TQ试样。孪晶马氏体及残余奥氏体对EPQ试样的力学性能也有重要影响。孪晶马氏体中C浓度较高,其硬度高于板条马氏体,作为增强相可进一步提高强化效果。残余奥氏体薄膜可有效阻止裂纹扩展,有利于塑性的提升。2种回火态试样的变形行为有所不同。这是由于在EPQ+EPT试样的3种组织中,回火马氏体的硬度最高,试样的塑性变形会被阻滞,因此拉伸曲线无明显屈服点(图7a)。

加工硬化性与晶粒大小、位错以及试样内相界面处的应力水平有关。研究[25]表明,晶粒细化使晶界对位错运动的阻碍作用增强,有利于加工硬化能力的提高,因此,与TQ试样相比,EPQ试样具有更高的加工硬化指数。回火处理时,与EPQ+EPT试样相比,由于TT处理时间比较长,位错有充足的时间湮灭,因此EPQ+TT试样的位错密度较小,其初始加工硬化率更低,而位错在索氏体-铁素体中更容易滑移使其具有较好的持续加工硬化能力。对于EPQ+EPT试样,随着变形继续进行,回火马氏体产生裂纹并逐渐扩展,扩展至残余奥氏体界面处时受到阻碍,产生应力集中,在应力作用下,残余奥氏体转变为马氏体,产生TRIP效应,因而,EPQ+EPT试样的加工硬化指数高于EPQ+TT试样[26]图7c表明,真应变达到0.04时,2试样加工硬化率的大小发生变化,此时EPQ+EPT试样中已有较多残余奥氏体转变为马氏体,马氏体/奥氏体界面的应力被消耗,产生应力松弛现象[27],而在EPQ+TT试样的变形过程中没有相变的发生,加工硬化持续进行,因而出现了图7c所示的现象。

综合以上讨论,EPQ态42CrMo钢的强塑积比TQ处理后提高32%,EPQ+EPT态42CrMo钢的强塑积比EPQ+TT试样提高了13.9%。由此可知,电脉冲处理可更大幅度地提高42CrMo钢的综合力学性能。

3 结论

(1) EPQ处理可降低热轧态42CrMo钢奥氏体相变的形核势垒,提高奥氏体的形核率,显著细化其晶粒和组织。

(2) EPQ处理后42CrMo钢中含有较多的残余奥氏体,其具有较低的马氏体转变起始温度。同时,在EPT处理过程中产生的热压应力能抑制残余奥氏体分解,使其稳定性得到进一步提高。

(3) 对42CrMo钢而言,电脉冲处理能更显著地提高其综合力学性能。经480 ms EPQ+180 ms EPT处理后,42CrMo钢的强度可达到1521 MPa,同时保持约18.2%的延伸率。

The authors have declared that no competing interests exist.


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