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地磅用馬氏體不銹鋼連接件熱處理工藝改進

時間:2018-01-25 06:19:53   點擊數(shù):

為提高地磅2Cr13馬氏體不銹鋼連接件使用壽命,采用顯微組織觀察和有限元技 術(shù)分析了連接件的失效特征和應力分布,對其熱處理工藝進行了改進,通過力學性能試驗、應力腐 蝕試驗和疲勞試驗等對比了連接件熱處理工藝的改進效果。結(jié)果表明:因原熱處理工藝不當,造成 連接件應力腐蝕抗力和強韌性不足;工藝改進后,連接件應力腐蝕敏感指數(shù)從原來的51. 1 %降低 到11.4 %,綜合力學性能得到大幅度提高,可滿足連接件設(shè)計和使用要求。

0.引言

2Cr13馬氏體不銹鋼具有良好的抗大氣腐蝕和 綜合力學性能,在汽輪機、醫(yī)療器械和塑料模具等行 業(yè)得到廣泛應用。由于該鋼碳含量高、鉻含量 ,考慮到可能造成晶界貧鉻,對其一般不采用中溫 回火,而采用高溫回火。地磅連接件材料為2Cr13,原硬度 設(shè)計要求38?42 HRC,連接件要求通過100萬次 疲勞(50?500 kN循環(huán)加載1 500 kN超載測試。連接件起到傳感器定位和力的傳遞作用,通常 情況下,連接件承受來自于傳感器垂直壓力100? 300 kN。連接件原熱處理工藝為960仁真空加熱 保溫1. 5 h淬火;250 C回火,保溫3 h。連接件的 某些實際應用場合含硫化物等腐蝕介質(zhì),在使用過 程中常發(fā)生開裂失效,直接影響到傳感器和地磅的安全使用。初步分析認為熱處理工藝不當是造成 連接件開裂的主要原因。為了防止開裂的再次出 現(xiàn),作者針對連接件失效原因,改進了連接件的熱處 理工藝,并對比了工藝改進前后連接件的力學性能、 應力腐蝕抗力和疲勞壽命等特性。

1.失效原因分析

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1、圖2分別為連接件的尺寸和工作示意,連接件承載孔底面為平面,與之接觸的傳感器彈性體 端部為M60球面。采用ANSYS有限元軟件及 Solid45單元建模分析連接件工作時的應力分布和 過載時極限拉應力。為便于分析,簡化了秤體和傳 感器彈性體尺寸,有限元分析結(jié)果見圖3。分析表 當連接件受到來自于彈性體壓應力時,連接件背 面中心部位存在拉應力3MX),拉應力方 向垂直于軸向應力當軸向載荷為1 500 kN, 接件背面最大拉應力為846. 61 MPa

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由圖4可見,失效連接件裂紋均從連接件背面 中心區(qū)域萌生4a4c連接件分別來自于含硫環(huán) 境的用戶現(xiàn)場和實驗室。沿垂直于連接件背面方向 制備金相試樣。圖4b4a連接件背面裂紋,試樣 未經(jīng)酸蝕,裂紋呈現(xiàn)多源萌生和沿晶擴展,具有應力 腐蝕開裂特征。圖4d4c連接件背面裂紋,組織 為回火馬氏體和沿棒料軋制方面排列的未溶S鐵素 ,鐵素體體積分數(shù)為5 %?10 %,裂紋自連接件背面S鐵素體處萌生并擴展。

2Cr13連接件裂紋擴展形式可推測,其應力 腐蝕抗力和強韌性不足。2Cr13馬氏體不銹鋼4c3 950 顯然960 t淬火溫度偏低,不足以使含鉻 碳化物充分溶解,并滯留大量軋制時形成的條狀S 鐵素體。所以盡管250 t回火遠離馬氏體不銹鋼敏 化溫度區(qū),但因欠熱,鉻元素固溶度不足,在連接 件背面拉應力和腐蝕介質(zhì)作用下,連接件發(fā)生應力 腐蝕開裂。條狀S鐵素體沿棒料軋制方向排列 并與連接件背面拉應力方向垂直’S鐵素體強度低, 對基體起分割作用連接件受載時裂紋從連接件背 S鐵素體萌生,并沿S鐵素體向連接件內(nèi)部擴展

總之,熱處理工藝不當造成連接件應力腐蝕開裂。

2.試樣制備和試驗方法

試驗材料為2Cr13熱軋棒,其化學成分(質(zhì)量分 數(shù)/ %) 0. 20C,12. 5 Cr ,0. 29 Mn,0. 50Si ,0. 15 Ni ,0. 03 P,0. 015 S,Fe。所有試樣均沿棒料軋 制方向制備。拉伸試樣(GB/ T 228 - 2002)、沖擊試 GB/ T 229 - 1994)、應力腐蝕試樣GB/ T 15970. 7 - 2000)和連接件各準備兩組,除了連接件 每組由2個試樣,其余每組由3個試樣構(gòu)成。所有 試樣機加工后熱處理,采用真空設(shè)備加熱,淬火、回 火均為油冷,兩組試樣工藝分別為960 t淬火+ 250 t回火(老工藝),1 020 'C淬火+310 t回火新工 ),淬火和回火加熱保溫時間分別為1.5 h3 h

Leica DMLM型光學顯微鏡和JXA- 840AEPMA型掃描電鏡SEM)分別分析連接件顯微組織和應力腐蝕試樣斷口形貌,顯微組織試樣腐 蝕劑為 5 g FeCl3 + 15 mL HCl + 100 mL H2O。用 慢應變應力腐蝕試驗法SSRT)對比熱處理工藝改 進前后連接件應力腐蝕抗力設(shè)備型號SERT- 5000-D9H),試驗條件:常溫,拉伸應變速率4. 17 X 10-5 s-1 ,腐蝕介質(zhì)為 3. 5 g ? L-1 NaCl + 0. 5 g  L-1 HAc水溶液,p H = 3?4。沖擊試驗機型號JB- 30A;拉伸試驗機型號MTS810;硬度儀型號HR- 15A;疲勞試驗機型號MTS810. 21 ,疲勞測試時脈 動壓應力載荷50?500 kN ,頻率8 Hz

3.試驗結(jié)果和討論

3.1力學性能

由表1可見,采用新工藝后,2Cr13鋼的強度和 塑性均得到提高,沖擊功提高了 1倍。由表2可見, 連接件抗疲勞和超載能力比老工藝有了極大提高 達到了 100萬次疲勞+ 1 500 kN靜壓的設(shè)計要求。

3.2顯微嫌

新工藝2Cr13鋼的組織為回火馬氏體,組織中 條狀S鐵素體已被充分溶解(圖5)

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3. 3應力腐蝕性能

慢應變應力腐蝕測試原理是,10-5?10-7 s-1 應變速率拉伸條件下,對比試樣在惰性和腐蝕介質(zhì)中 由應力-應變曲線包圍的內(nèi)積功,得出材料應力腐蝕 敏感性[7]1[7]為應力腐蝕敏感性指數(shù)Iscc計算方 ,IScc值越大,材料的應力腐蝕敏感性越大Iscc > 35 %材料具有顯著的應力腐蝕傾向;當Iscc ^25 %,材料無明顯的應力腐蝕傾向叫

式中I為在惰性介質(zhì)中內(nèi)積功;I腐為在腐蝕介質(zhì) 中的內(nèi)積功。

用專門軟件計算圖6中內(nèi)積功大小,將內(nèi)積功 代入式1 ,得出老工藝Iscc =51. 1 %,新工藝Iscc = 11.4%。可見工藝改進后,2Cr13鋼在強韌性提高 的同時,應力腐蝕抗力同樣得到大幅度提高。由圖 7可見,老工藝斷口為準解理+少量韌窩,表現(xiàn)為脆 ;新工藝斷口基本為韌窩,表現(xiàn)為塑性特征。

將新工藝連接件在幾個典型用戶試用,9個月以 來未發(fā)生一起開裂失效,說明新工藝可以滿足2Cr13鋼連接件的使用要求。

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新工藝提高了淬火加熱溫度2Cr13鋼組織中 S鐵素體被充分溶解,從而顯著提高了 2Cr13 的綜合力學性能。此外,固溶體中鉻含量隨著淬火 溫度的提高而增加,盡管新工藝回火溫度高于老工 藝,但新工藝回火溫度尚未處于2Cr13鋼敏化溫度 區(qū)[5],新工藝2Cr13鋼應力腐蝕開裂抗力較老工藝 有大幅度提高 

4.結(jié)論

用新熱處理工藝1 020 'C X1. 5 h淬火+ 310"C X3 h回火)代替老工藝后,2Cr13鋼連接件強韌 性得到顯著提高,連接件應力腐蝕敏感性指數(shù)從原 51.1 %降低到11.4%。新工藝處理的連接件滿 足了地磅的使用要求。

 


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