汽車(chē)輕量化用38crmoal滲氮鋼真空滲碳試樣氫脆敏感性研究

抗疲勞性能分析在汽車(chē)領(lǐng)域廣泛使用車(chē)輪。在實(shí)際使用條件下，它受到各種外部負(fù)荷的影響，容易出現(xiàn)表面磨損。為了增強(qiáng)齒輪的抗疲勞性能，通常會(huì)選擇中低碳鋼作為齒輪的制造材料，并對(duì)其表面進(jìn)行滲碳處理以實(shí)現(xiàn)顯著的強(qiáng)化效果，由此獲得更高的硬度以及更優(yōu)的韌性H對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)具有一定的破壞性，當(dāng)合金基體中產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，會(huì)引起H的擴(kuò)散并在缺陷部位發(fā)生聚集，這些富集部位的H濃度達(dá)到臨界值以上時(shí)便會(huì)產(chǎn)生裂紋缺陷，之后這些裂紋發(fā)生進(jìn)一步擴(kuò)展而引起脆性斷裂的發(fā)生拉伸性能及氫脆敏感性檢測(cè)采用38CrMoAl滲氮鋼棒作為測(cè)試材料。先通過(guò)鍛造處理的方式將棒材加工為?16mm的圓柱形結(jié)構(gòu)，具體鍛造工藝如下：先將棒材升溫至1210℃并持續(xù)保溫1h,控制開(kāi)鍛溫度達(dá)到1200℃以上，并確保終鍛溫度不低于900℃,鍛造結(jié)束后再通過(guò)空冷方式將棒材降到室溫。同時(shí)為便于開(kāi)展鍛造圓棒的后續(xù)加工，將其升溫至670℃經(jīng)過(guò)5h保溫后再進(jìn)行空冷降到室溫，接著加工得到拉伸毛坯試樣，將其分為2組并根據(jù)圖1方式實(shí)施熱處理。淬火+低溫回火(QL)處理(圖1a):880℃淬火+低溫回火(200℃,2h)態(tài)處理；真空滲碳(VC)處理(圖1b):預(yù)熱(910℃+7h)+真空滲碳(830℃+0.5h)+880℃淬火+低溫回火(200℃+2h)態(tài)處理。以慢應(yīng)變拉伸(slowstrainratetensile,SSRT)方法測(cè)試試樣的氫脆敏感性。配制0.50g/L硫脲與0.25mol/LH從QL與VC試樣中切取外徑尺寸為5mm、長(zhǎng)度為25mm的測(cè)氫試樣，利用配制得到的0.50g/L硫脲與0.25mol/LH試驗(yàn)結(jié)果滲碳層內(nèi)的實(shí)際晶粒圖2為QL試樣與VC試樣的SEM形貌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，QL試樣中形成了均勻形態(tài)的低碳回火馬氏體；VC試樣的滲碳層中以高碳回火馬氏體為主，同時(shí)存在少量的殘余奧氏體。VC試樣在滲碳層中形成了更細(xì)的組織晶粒，組織分布形態(tài)也更均勻，該結(jié)果可以通過(guò)分析2組試樣中的奧氏體晶粒得到驗(yàn)證。測(cè)試得到QL試樣中的奧氏體晶粒平均尺寸是(17.6±2.3)μm,滲碳層內(nèi)的奧氏體晶粒平均尺寸是(11.7±1.5)μm。分別對(duì)QL試樣與VC試樣中的滲碳層進(jìn)行X射線衍射表征得到圖3所示結(jié)果，通過(guò)分析圖3可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)在VC試樣中的滲碳層內(nèi)含有約13.6%的殘余奧氏體組織，而在QL試樣內(nèi)只檢測(cè)到4.5%的殘余奧氏體。滲碳層殘余應(yīng)力圖4是對(duì)2組試樣進(jìn)行橫截面硬度測(cè)試的結(jié)果。其中，VC試樣表面部位的最大硬度達(dá)到了732.0HV;之后逐漸增加測(cè)試處與表面之間的距離時(shí)，出現(xiàn)了硬度持續(xù)減小的變化特征，這是因?yàn)闈B碳層內(nèi)形成了含量呈梯度分布形態(tài)的C,對(duì)心部區(qū)域進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)硬度減小至440.3HV的穩(wěn)定值。相對(duì)于VC試樣，QL試樣整個(gè)橫截面硬度基本保持一致，都在450HV附近。通過(guò)逐層剝離的方式測(cè)試了2組試樣與表面之間不同深度部位(0～2.0mm)的殘余應(yīng)力，具體見(jiàn)圖5。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著深度的增加，QL試樣和VC試樣的殘余應(yīng)力均呈持續(xù)減小的變化趨勢(shì)。根據(jù)圖5可知，與表面相距超過(guò)1.2mm的部位檢測(cè)到的殘余壓應(yīng)力十分小，由此可以推斷VC試樣只有滲碳層中會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，其他部位的組織中則不會(huì)受到殘余壓應(yīng)力的作用。拉伸性能及斷裂率對(duì)充氫前后的QL試樣與VC試樣SSRT測(cè)試，各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知，沒(méi)有充氫的QL試樣拉伸強(qiáng)度為1462MPa,伸長(zhǎng)率達(dá)到16.4%,同時(shí)獲得了62.2%的斷面收縮率，塑性與強(qiáng)度之間達(dá)到了良好協(xié)調(diào)性；沒(méi)有進(jìn)行充氫處理的VC試樣拉伸強(qiáng)度達(dá)到1968MPa,相對(duì)QL試樣增大35%,但該試樣缺乏良好的塑性，同時(shí)其斷面收縮率與斷后伸長(zhǎng)率也比QL試樣依次下降92.5%與65.3%。對(duì)QL試樣進(jìn)行充氫后試樣表現(xiàn)出了與初始試樣接近的拉伸強(qiáng)度，而斷后伸長(zhǎng)率發(fā)生了顯著減小，通過(guò)計(jì)算相對(duì)斷后伸長(zhǎng)率差異得到QL試樣氫脆敏感性指數(shù)(HydrogenEmbrittlementIndex,氫對(duì)ql試樣ssrt斷口形貌的影響圖6為充氫處理前后的QL試樣形成的SSRT斷口形貌。由圖6可知，充氫前QL試樣斷口部位形成明顯韌性斷裂，此時(shí)在斷裂面處產(chǎn)生了大量韌窩，可以觀察到顯著的頸縮特征；對(duì)QL試樣充氫處理后試樣產(chǎn)生了更明顯的脆性斷裂，表層區(qū)域主要屬于脆性區(qū)，靠近試樣中心區(qū)域形成了與未充氫試樣相近的韌性斷裂特征，表現(xiàn)出了與高強(qiáng)度馬氏體鋼氫致斷裂相近的特性。圖7為充氫處理前后的VC試樣形成的SSRT斷口形貌。由圖7可知，滲碳層裂紋擴(kuò)展區(qū)主要形成了準(zhǔn)解理斷裂，這是由于滲碳層內(nèi)主要存在硬脆高碳馬氏體；在擴(kuò)散斷裂區(qū)域形成了由許多韌窩構(gòu)成的韌性斷裂，這是由于試樣中心區(qū)域由高韌性低碳回火馬氏體構(gòu)成，在斷裂后形成了許多韌窩狀的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)韌性斷裂的特性。滲碳層的殘余實(shí)際尺寸分布材料發(fā)生氫脆斷裂除了受到材料本身的影響外，還與周邊環(huán)境以及應(yīng)力作用存在較大關(guān)聯(lián)。對(duì)QL試樣進(jìn)行組織形貌表征發(fā)現(xiàn)存在板條馬氏體以及部分殘余奧氏體，拉伸強(qiáng)度達(dá)到了1460MPa。當(dāng)H受到拉應(yīng)力作用后不斷向應(yīng)力區(qū)富集，導(dǎo)致原子鍵合力持續(xù)減弱，從而引起脆性斷裂，表現(xiàn)出明顯的氫脆敏感性，QL試樣對(duì)VC試樣進(jìn)行整體強(qiáng)度測(cè)試發(fā)現(xiàn)其整體強(qiáng)度達(dá)到了1967MPa,考慮到其中心區(qū)域的強(qiáng)度接近QL試樣，可以推斷滲碳層具備更高強(qiáng)度。圖8是對(duì)試樣進(jìn)行SSRT測(cè)試后再?gòu)呐c試樣表面相距0.5mm的部位進(jìn)行EBSD測(cè)試得到的殘余奧氏體尺寸分布結(jié)果。由圖8可知，經(jīng)過(guò)SSRT處理后滲碳層內(nèi)殘余奧氏體數(shù)量降低，這些殘余奧氏體的尺寸普遍較小，均在(0.23±0.12)μm范圍內(nèi)。滲碳層受到拉伸作用后，一些大尺寸塊狀殘余奧氏體逐漸轉(zhuǎn)變成了高碳馬氏體。在奧氏體轉(zhuǎn)變成高碳馬氏體的過(guò)程中，將會(huì)促使不可擴(kuò)散的H變成可擴(kuò)散的H,并且發(fā)生相轉(zhuǎn)變時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力作用并形成大量位錯(cuò)，從而提高了試樣的氫脆敏感性。氫對(duì)ql試樣拉伸性能的影響(1)QL試樣中形成了均勻形態(tài)的低碳回火馬氏體；VC試樣的滲碳層中以高碳回火馬氏體為主，存在少量的殘余奧氏體。(2)VC試樣在表面部位的最大硬度達(dá)到了732HV;QL試樣在450HV附近。隨著深度的增加，殘余應(yīng)力持續(xù)減小。(3)對(duì)QL試樣進(jìn)行充氫后表現(xiàn)出了與初始試樣接近的拉伸強(qiáng)度，而斷后伸長(zhǎng)率顯著減小，計(jì)算相對(duì)