压力对挤压铸造E级钢低温冲击韧性的影响王婷玥,邢书明,敖晓辉,王摇营北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044本工作采用挤压铸造工艺制备了不同压力下的E级钢调质态试样,并进行了低温夏比冲击试验和布氏硬度检测,研究了挤压压力对E级钢低温冲击韧性的影响规律,并用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)对显微组织和冲击断口进行了观察。研究结果表明,当挤压压力在0 ~150 MPa范围内,E级钢的40 益低温冲击韧性先增大后减小。在挤压压力为38 MPa时,E级钢低温冲击韧性最佳,比金属型重力铸造E级钢提高65郾 4%,硬度仅降低了6郾 17%。进一步提高压力,冲击吸收功呈线性下降,硬度小幅上升。显微组织分析表明,随着挤压压力的提高,E级钢晶粒明显细化,铁素体含量增多,有利于E级钢冲击韧性的提高。另一方面,由于过冷度的提高,E级钢在压力为60 MPa时析出了魏氏组织,导致低温冲击韧性显著下降。断口分析表明,金属型重力铸造E级钢低温冲击断口为准解理形貌,而采用38 MPa挤压铸造的E级钢即使在40 益低温下,断口仍存在大量细密的韧窝,属于韧性断裂。关键词摇 摇挤压铸造摇压力摇 E级钢摇低温冲击韧性摇显微组织中图分类号:TG249郾 2+7摇 摇文献标识码:AEffect of Pressure on Low鄄temperature Impact Toughness of Grade E Cast SteelPrepared by Squeeze鄄castingWANG Tingyue, XING Shuming , AO Xiaohui, WANG YingSchool of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, ChinaThe grade E cast steel specimens under different pressures prepared by squeeze鄄casting were quenched and tempered. The Charpy impacttest at low鄄temperature were carried out and the Brinell hardness were tested. The effect of pressures on the low鄄temperature impact tough鄄ness of grade E cast steel were investigated. The microstructure and impact fracture were observed by optical microscopy(OM) and scanningelectron microscopy(SEM). The experimental results show that the low鄄temperature impact toughness at 40 益 of grade E cast steel increasesfirst and then decreases when the pressures are in the range from 0 MPa to 150 MPa. The low鄄temperature impact energy exhibits their optimalvalues when the pressure is 38 MPa, which is 65郾 4% higher than that of metal gravity casting, and the hardness is only reduced by 6郾 17%. Withthe further increase of pressure, the Charpy impact energy decreases linearly and the hardness increases slightly. Microstructure analysis showsthat with the increase of pressure, the grains of grade E cast steel are refined significantly and the content of ferrite increase. That is beneficial tothe impact toughness of grade E cast steel. In addition, because of the increase of degree of super鄄cooling, the Widmanstatten is precipitated atthe pressure of 60 MPa. This leads to the decrease of low鄄temperature impact toughness. Impact fracture analysis shows that the fracture ofgrade E cast steel produced by gravity casting in metal mould is quasi鄄cleavage morphology. The specimens prepared by squeeze鄄casting at thepressure of 38 MPa still has a large number of fine dimples even at 40 益, which belongs to ductile fracture.Key words摇 摇 squeeze鄄casting, pressure, grade E cast steel, low鄄temperature impact toughness, microstructure0摇引言E级钢是美国AAR鄄M鄄201鄄92标准规定的低合金铸钢,其国内牌号为ZG25MnCrNiMo,是我国轨道车辆钩舌的主要材料。它具有强度高、冷热加工成形性好、耐蚀性好等特点[1],但不足之处是冲击性能稳定性差[2],且在低温下容易变脆,发生脆性破坏,导致钩舌早期失效,断钩事故频发,严重威胁铁路运输安全。轨道车辆车钩是连接车辆和传递力的重要结构件,而钩舌是其薄弱环节[3],因此,提高钩舌性能成为轨道交通领域的热点问题。 Huang等[2]通过实验得出失效钩舌的凝固组织枝晶粗大并含有大量缩孔,断裂形式为脆性断裂,推断钩舌的断裂机制为焊接修复产生的微裂纹在受到冲击载荷时沿着缩孔缩松扩展到基体内部,最终导致钩舌瞬间失效。 Song等[4]的实验表明美国的车钩材料优于国内,其使用寿命是国内的两倍。 Wang等[5]对锻造钩舌进行了数值模拟,为锻造钩舌结构优化提出参考。目前,我国E级钢钩舌主要采用铸造成型,但由于缩孔、缩松、冷隔等铸造缺陷的存在急需改进工艺,而锻造钩舌又因其工序复杂、成本高、易产生折叠缺陷等缺点难以推广。挤压铸造是一种使熔体在模具中高压凝固的金属成形工艺[6],具有生产效率高、铸件缺陷少、产品性能好、材料利用率高以及生产成本低等优点。众多研究已经证明,挤压铸造可以显著提高有色金属及复合材料的强度和韧性[7鄄10]。Yang等[11]通过实验得出,挤压压力在0 ~ 150 MPa时,Mg鄄Zn鄄Y准晶增强AZ91D镁基复合材料的抗拉强度和伸长率先增大后减小,在压力为100 MPa时达到最大值。 Fang等[12]通过对比得出,挤压铸造A380铝合金的拉伸性能优于常规压铸件,且与压铸件拉伸的脆性断口不同,挤压铸造拉伸试样为韧性断裂。于佰水等[13]通过实验得出,随着挤压压力的提高,A380铝合金的二次枝晶臂间距减小,相比于重力铸造,压力为75 MPa的挤压铸造A380铝合金的抗拉强度和伸长率分别提高了19%和65%。然而,黑色金属的高熔点和较差的流动性83160为挤压铸造带来了困难,导致黑色金属挤压铸造的研究和应用进展缓慢。目前,挤压压力对铸钢材料的显微组织和力学性能,特别是低温冲击韧性的影响作用尚未见报道。综上所述,鉴于挤压铸造具有成本低、成形质量高的特点,以及提高E级钢钩舌低温冲击韧性对铁路运输安全具有的重要意义,本工作拟采用挤压铸造工艺成形E级钢,研究挤压铸造工艺重要的可控工艺参数— — —挤压压力对E级钢显微组织和低温冲击韧性的影响,为挤压铸造E级钢钩舌的试生产提供依据。1摇实验采用25 kg中频感应炉熔炼ZG25MnCrNiMo试验钢,根据合金元素烧损量分别用钼铁、铬铁、电解镍板、锰铁以及硅铁进行补料,用增碳剂对碳烧损进行补充。浇包采用镁砂作基体,水玻璃作粘结剂,使用前在电阻炉中预热至700 益,浇包内用铝丝脱氧。钢水的出炉温度为1 700 益,出炉后立即浇入型腔尺寸为150 mm伊40 mm伊50 mm(当量厚度与钩舌大致相同)的金属模具中,并用THP16鄄200A型液压机进行挤压铸造试验。控制浇注温度(1 650 益)、涂料的种类(钢制挤压铸造件专用涂料)、开始加压时间(3 s)、保压时间(30 s)等参数不变,改变挤压压力进行试验,得到6个试块。设计挤压压力分别为30 MPa、60 MPa、90 MPa、120 MPa以及150 MPa,并进行零压力对照试验。由于液压机压力控制精度影响,实际挤压压力为38 MPa、60 MPa、94 MPa、120 MPa以及156 MPa。用Spectro鄄MAXX型直读光谱仪对试验钢进行化学成分检验,其化学成分如表1所示,试验用钢化学成分符合标准要求。对试样进行调质处理:910 益淬火(保温2 h)+580 益回火(保温3 h),具体热处理工艺曲线见图1。表1摇 ZG25MnCrNiMo试验钢和AAR鄄M201标准E级钢的化学成分(质量分数/ %)Table 1摇 Chemical composition (wt%) of tested steel and AAR鄄M201 gradeE cast steelSample C Si Mn Ni Mo Cr S PAAR鄄M201 gradeE cast steel 臆 0郾 32 臆 1郾 5 臆 1郾 85 臆 0郾 040 臆 0郾 040Tested steel(ZG25MnCrNiMo) 0郾 255 0郾 515 1郾 408 0郾 445 0郾 451 1郾 16 0郾 020 0郾 018图1摇 E级钢调质处理工艺曲线Fig郾 1摇 Heat treatment process curve of grade E cast steel利用线切割从每个试块与挤压铸造模具压头接触的位置(去除表面5 mm)切取试验试样(相当于实体取样),试样取样方法如图2所示,其中微观组织试样2组(铸态及调质态各1组),夏比冲击试验试样3组(调质态),所有试样均在同一层。根据GB/ T 299鄄2007《金属夏比缺口冲击试验方法》标准,将试样加工成10 mm伊10 mm伊55 mm的V型缺口标准冲击韧性试样,缺口深度为2 mm,试验仪器为JBDS鄄300B冲击试验机。将冲击试样放入冷却槽内,采用乙醇和液氮混合液对其进行冷却,在(-40依2) 益保温10 min使试样冷却均匀后,立即取出放到冲击试验机上进行冲击试验,间隔时间不大于5 s。冲击试样断口经超声清洗后,用Zeiss EVO48扫描电镜对其微观形貌进行观察,并进行能谱(EDS)分析。金相试样用4%的硝酸乙醇溶液腐蚀,用DM2000X倒置金相显微镜和Zeiss EVO48扫描电镜进行金相组织观察。用Image鄄Pro Plus 6郾 0图像分析软件测定铸态微观组织二次枝晶臂间距(SDAS)及铁素体含量数据,用Microsoft Excel 2013数据分析软件进行统计分析。根据GB/ T 231郾 1鄄2018 《金属材料布氏硬度试验第1部分:试验方法》标准,采用THBRV鄄187郾 5电动布洛维硬度计对冲断后的夏比试样侧面进行布氏硬度检测。图2摇 E级钢试块取样位置示意图Fig郾 2摇 Schematic diagram of sampling positions of specimens of grade E caststeel2摇实验结果2郾 1摇压力对挤压铸造E级钢低温冲击韧性的影响压力对挤压铸造E级钢低温冲击吸收功的影响规律如图3所示。在38 MPa挤压铸造时,E级钢的低温冲击韧性最优,其值为31郾 79 J。随着挤压压力的增大,E级钢的低温冲击韧性呈近似线性下降趋势。因此对其进行直线拟合,可得到如式(1)所示的试验规律,其中P为挤压压力,Akv为冲击吸收功,拟合斜率为-0郾 147,相关系数高达96郾 14%。当挤压压力超过60 MPa时,低温冲击吸收功下降到27郾 21 J,接近TB/ T 2942鄄1999《铁道用铸钢件采购与验收技术条件》针对附图3摇不同挤压压力下E级钢的低温冲击吸收功Fig郾 3摇 Low鄄temperature impact absorbing energy of grade E cast steel underdifferent pressure93160压力对挤压铸造E级钢低温冲击韧性的影响/王婷玥等铸试样或基尔试块要求的E级钢低温冲击吸收功下限27 J。当继续提高挤压压力,低温冲击性能将不能满足使用要求。试验中的压力最大提高到了156 MPa,此时E级钢的冲击吸收功只有14郾 54 J。应当指出,一般情况下,即使使用相同金属液浇注,实体取样的冲击韧性也远低于附铸试样和基尔试块[1]。综上可以认为,挤压压力在0 ~ 150 MPa范围内对E级钢低温冲击韧性作用明显,且低压挤压铸造E级钢低温冲击韧性较优。Akv =-0郾 147P+36郾 933 (1)2郾 2摇低压挤压铸造与金属型重力铸造E级钢对比挤压压力控制在最优参数值(38 MPa)时挤压铸造与金属型重力铸造E级钢低温冲击吸收功及硬度对比如图4所示。与重力铸造(0 MPa)E级钢的低温冲击吸收功(19郾 22 J)相比,38 MPa挤压铸造E级钢的低温冲击吸收功达到31郾 79 J,提高幅度达65郾 4%,且硬度相对于重力铸造的273郾 9HBW仅下降6郾 17%。可以认为,当挤压压力控制在38 MPa附近时,挤压铸造对E级钢低温冲击韧性的提高作用明显。图4摇 38 MPa挤压铸造E级钢与金属型重力铸造E级钢低温冲击吸收功及硬度对比Fig郾 4摇 Low鄄temperature impact absorbing energy and hardness of grade Ecast steel prepared by low pressure squeeze鄄casting and metal mold casting2郾 3摇不同挤压压力下E级钢夏比试样的布氏硬度不同挤压压力下E级钢夏比冲击试样的布氏硬度如图5所示。所有试样的硬度均在TB/ T 2942鄄1999 《铁道用铸钢件采购与验收技术条件》规定的241 ~311HB范围内。硬度与低温冲击韧性呈负相关关系,即随着挤压压力的提高,冲击试样的硬度呈现先降低后升高的趋势。在挤压压力为120 MPa时,试样的硬度最高,达到了286郾 4HBW,继续提高压力,其硬度基本不变。图5摇不同挤压压力下E级钢夏比试样的布氏硬度Fig郾 5摇 Brinell hardness of Charpy samples of grade E cast steel under diffe鄄rent pressure3摇分析讨论3郾 1摇显微组织分析对不同挤压压力下试验材料微观组织进行观察。图6为E级钢铸态组织整体形貌,其局部放大图见右上角。 E级钢属于亚共析钢,其组织为灰暗的珠光体+白亮的网状铁素体。加压使Fe鄄Fe3C共析点向低温、低碳含量方向移动,且使琢相区缩小[6],从而导致试验钢含碳量接近共析成分,因此铁素体呈网状并沿原奥氏体晶界析出。图6a所示的重力铸造E级钢铸态组织有粗大的树枝晶。定量测定不同挤压压力下E级钢的二次枝晶臂间距(SDAS),并对其进行统计分析,分析结果如图7所示。相比于重力铸造,加压使E级钢的二次枝晶臂间距减小约32郾 4%。随着挤压压力的提高,其晶粒细化作用更加明显,当压力提高到150 MPa时,二次枝晶臂间距仅为重力铸造的54郾 6%。这是由于压力作用降低了形核激活能[14],并使合金的熔点升高,提高了过冷度,从而图6摇不同挤压压力下E级钢铸态微观组织形貌的OM图:(a) 0 MPa;(b) 38 MPa;(c) 60 MPa;(d) 94 MPa;(e) 120 MPa;(f)156 MPaFig郾 6摇 As鄄cast microstructure of grade E cast steel under different pressureobserved by OM: (a) 0 MPa;(b) 38 MPa;(c) 60 MPa;(d) 94 MPa;(e)120 MPa;(f)156 MPa图7摇不同挤压压力下E级钢的二次枝晶臂间距(SDAS)统计分析Fig郾 7摇 Secondary dendrite arm spacing of grade E cast steel under differentpressure04160材料导报(B),2020,34(3):06138鄄06143图8摇不同挤压压力下E级钢的铁素体含量统计分析Fig郾 8摇 Ferrite content of grade E cast steel under different pressure增大了形核率。此外,挤压压力提高了冷却速率,使晶粒来不及长大,从而促进了晶粒细化[15]。如图6b— f所示,E级钢在压力作用下的凝固组织的整体均匀性相对较好,无明显的方向性,这是由于压力下结晶缩短了溶质元素在钢液中的扩散时间[16],明显降低了枝晶偏析,提高了化学成分的均匀性。随着挤压压力的提高,组织中铁素体的含量逐渐增多,其统计结果如图8所示。原奥氏体晶粒的细化使晶界增多,导致铁素体可在更多位置形核析出。另外,当过冷度较大时,奥氏体鄄铁素体相变的相变动力学取决于界面反应的速率[17],而加压使奥氏体发生热变形,变形会引起奥氏体相的化学势升高,其化学势增量驻d可以表示为式(2)[18]:驻d =Gdb2Vv /2 (2)式中:G和b分别表示奥氏体的切变模量和柏氏矢量;Vv为奥氏体相的摩尔体积;d为位错密度,其取值与形变条件有关。挤压压力对奥氏体所做的变形功会部分转化为变形储能,导致奥氏体内部位错密度升高,奥氏体相的化学势升高,这使得动态相变的驱动力增加,在组织上表现为铁素体析出量增加。进一步提高放大倍数,得到如图9所示的E级钢高倍铸态显微组织SEM图。图中突出的黑色网状为铁素体,黑白相间的部分为片状珠光体。如图9a所示,铁素体在原奥氏体晶界上形核并以“块状冶形式长大,形成纺晶形貌组织。如图9b— f所示,随着挤压压力的提高,晶界上的等轴状铁素体逐渐转化为片状并沿晶界向晶内生长,且片层间距逐渐减小,而后转化为针状并融入晶内。这是由于挤压压力的提高,导致过冷度显著增大,少量先共析铁素体从奥氏体中负脱落并沿晶界析出[19],形成了网状铁素体和针状铁素体,冷却到Ar1以下时进行共析分解,转变为片状珠光体组织,这种向晶内生长的针片状铁素体和极细的片状珠光体的整合组织即为魏氏组织[20]。魏氏组织只能在一定的冷却速度范围下形成,只有当过冷度足够大以提供足够多的相变驱动力时,才能负担起形成针片状铁素体半共格式界面所需的共格应变能[21],因此挤压压力所提供的较快的冷却速度对魏氏组织的形成起促进作用,且随着过冷度的增大,魏氏组织逐渐细化。E级钢调质态微观组织如图10所示。虽采用高温回火,但由于合金元素影响了琢相的再结晶,得到的组织仍具有淬火马氏体的条片状形貌,为回火屈氏体组织。可以看到,其中还含有少量的铁素体和渗碳体以及在原奥氏体晶界和板条图9摇不同挤压压力下E级钢铸态微观组织形貌的SEM图:(a) 0 MPa;(b) 38 MPa;(c) 60 MPa;(d) 94 MPa;(e) 120 MPa;(f)156 MPaFig郾 9摇 As鄄cast microstructure of grade E cast steel under different pressureobserved by SEM:(a) 0 MPa;(b) 38 MPa;(c) 60 MPa;(d) 94 MPa;(e)120 MPa;(f)156 MPa图10摇不同挤压压力下E级钢调质态微观组织形貌的OM图:(a) 0MPa;(b) 38 MPa;(c) 60 MPa;(d) 94 MPa;(e) 120 MPa;(f)156 MPaFig郾 10摇 Quenched and tempered microstructure of grade E cast steel underdifferent pressure observed by OM:(a) 0 MPa;(b) 38 MPa;(c) 60 MPa;(d) 94 MPa;(e) 120 MPa;(f)156 MPa界上析出的碳化物。金属型重力铸造E级钢的调质态组织整体较为粗大,碳化物呈块状,而压力下凝固的E级钢调质态组织较为细小,碳化物呈条状。随着挤压压力的提高,调质态组织整体呈细化趋势,碳化物析出数量增加,形态逐渐14160压力对挤压铸造E级钢低温冲击韧性的影响/王婷玥等细小,最终趋于针状。带有尖端的碳化物在冲击时容易形成裂纹源,从而导致试样断裂。3郾 2摇断口形貌分析E级钢低温冲击断口形貌如图11所示。在图11a中,金属型重力铸造低温冲击断口呈现准解理形貌,属于典型的脆性穿晶断裂。可以清楚地看到二次枝晶臂底部有杂质颗粒存在,这是由溶质元素富集在结晶前沿的液相中,产生枝晶偏析造成的。如图11b所示,压力为38 MPa时,材料低温冲击韧性达到最佳值,断口由大量细密的韧窝组成,属于典型的韧性断裂。因为压力作用缩短了凝固时间,从而缩短了溶质元素在液相的扩散时间,减少了合金的偏析,有利于溶质元素的均匀分布,因此低压挤压铸造E级钢低温冲击韧性远高于金属型重力铸造。但是,随着压力的继续升高,图11c中的韧窝逐渐变浅;图11d、e中材料出现准解理断裂特征,但撕裂棱处仍可观察到明显的塑性变形;图11e中材料出现解理台阶、舌状花样,有小解理刻面。当压力升高到156 MPa时,如图11f所示,材料出现大量微裂纹。这是由于压力的升高使材料中碳化物的含量升高,且碳化物形貌改变,导致准解理裂纹更易从晶内细小的碳化物处起源[22],从而降低了材料的韧性。图11摇不同挤压压力下E级钢低温冲击断口形貌:(a) 0 MPa;(b) 38MPa;(c) 60 MPa;(d) 94 MPa;(e) 120 MPa;(f)156 MPaFig郾 11摇 Micro fracture morphologies of grade E cast steel under differentpressure:(a) 0 MPa;(b) 38 MPa;(c) 60 MPa;(d) 94 MPa;(e) 120MPa;(f)156 MPa图12所示为图11b中断口颗粒物的EDS能谱分析,1处颗粒主要为硫化物MnS和FeS,这是由于S易于在晶界偏析[23],引起界面能降低,使裂纹更易沿解理面扩展[24]。 2处颗粒为硬度较高的合金渗碳体(Fe,Mn)3C,这是由于Mn元素与C的亲和力大于Fe,且Mn偏析倾向较大,容易沿晶界析出,易形成网状碳化物Mn3C或(Fe,Mn)3C。这些颗粒物的析出在一定程度上削弱了试验钢的低温冲击韧性,可通过对炉前钢液化学成分的精确控制进行改善。图12摇 38 MPa挤压铸造E级钢低温冲击断口能谱分析:(a)点1;(b)点2Fig郾 12摇 EDS analysis result of grade E cast steel prepared by squeeze鄄cas鄄ting under the pressure of 38 MPa: (a) point 1;(b) point 2挤压铸造可促进E级钢晶粒细化,从而减小应力集中,增大晶界比率,使裂纹扩展路径更加曲折、方向更多,从而吸收更多的冲击功,产生细晶强韧化。另外,压力的作用使奥氏体发生热变形,奥氏体鄄铁素体相变向生成铁素体的方向移动,导致铁素体含量增多,有利于E级钢冲击韧性的提高。但同时,在挤压压力提高至60 MPa时出现的少量魏氏组织沿晶界析出并呈针片状向晶内长大,对晶粒具有分割作用,产生解理断裂通道,其针片状遗传形貌经调质处理无法消除,导致E级钢的调质态冲击韧性显著下降。另外,挤压压力会增大合金元素的固溶度,加剧固溶体晶格畸变,产生弹性应力场并与位错交互作用[25],阻碍滑移面上的位错运动,导致材料的硬度升高,而塑性、韧性下降,甚至当压力提高到156 MPa时产生微裂纹。综上所述,在低压挤压铸造时,细晶强韧化起主导作用,因此材料表现出压力韧化现象;而在高压挤压铸造时,魏氏组织的出现及固溶强化加剧了材料的脆化趋势,使材料总体表现为压力脆化现象。4摇结论(1)压力在0 ~ 156 MPa范围内,挤压铸造E级钢的-40 益低温冲击韧性先增大后减小。挤压压力达到38 MPa时,E级钢低温冲击韧性最优,断口呈韧性断裂。压力超过38 MPa,E级钢冲击吸收功呈近似线性下降,断口由韧性转变为脆性。(2)挤压压力在0 ~150 MPa时,随着挤压铸造压力的提高,E级钢二次枝晶臂间距均匀细化,铁素体含量增多,有利于E级钢冲击韧性的提高;当压力提高至60 MPa以后,出现魏氏组织,156 MPa时产生微裂纹,导致冲击韧性显著下降。(3)与金属型重力铸造相比,低压挤压铸造能显著提高E级钢的低温冲击韧性。压力控制在38 MPa时,冲击功提高了65郾 4%,硬度仅降低了6郾 17%,即此时,挤压铸造成形E级24160材料导报(B),2020,34(3):06138鄄06143钢能在硬度损失较小的情况下达到提高其低温冲击韧性的目的。参考文献1摇 Huang J, Xia L, Zhang Y, et al. 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He is aprofessor and doctoral supervisor of School of Mechani鄄cal, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiao鄄tong University. His research interests are technologyand theory of metal forming, technology and theory ofmodern solidification control and research of semi鄄solidnew materials.邢书明,北京交通大学机电学院,教授,博导,半固态成形研究中心主任。 1999年7月毕业于北京科技大学材料加工专业,获博士学位。 1999年9月至2001年6月在清华大学做博士后研究工作。主要从事机械材料加工工程、金属材料先进成形技术与理论、现代凝固控制技术与理论、半固态新材料研究。拥有发明专利20余项,发表论文近百篇,出版著作3本。34160压力对挤压铸造E级钢低温冲击韧性的影响/王婷玥等
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