為提高地磅用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(yīng)力分布,對(duì)其熱處理工藝進(jìn)行了改進(jìn),通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)、應(yīng)力腐 蝕試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)等對(duì)比了連接件熱處理工藝的改進(jìn)效果。結(jié)果表明：因原熱處理工藝不當(dāng),造成 連接件應(yīng)力腐蝕抗力和強(qiáng)韌性不足;工藝改進(jìn)后,連接件應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)從原來(lái)的51. 1 %降低 到11.4 %,綜合力學(xué)性能得到大幅度提高,可滿足連接件設(shè)計(jì)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(xué)性能,在汽輪機(jī)、醫(yī)療器械和塑料模具等行 業(yè)得到廣泛應(yīng)用。由于該鋼碳含量高、鉻含量 低,考慮到可能造成晶界貧鉻,對(duì)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鋼,原硬度 設(shè)計(jì)要求38?42 HRC,連接件要求通過(guò)100萬(wàn)次 疲勞(50?500 kN循環(huán)加載）和1 500 kN超載測(cè)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(lái)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(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合含硫化物等腐蝕介質(zhì),在使用過(guò) 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(rèn)為熱處理工藝不當(dāng)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(duì)連接件失效原因,改進(jìn)了連接件的熱處 理工藝,并對(duì)比了工藝改進(jìn)前后連接件的力學(xué)性能、 應(yīng)力腐蝕抗力和疲勞壽命等特性。

1.失效原因分析

圖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(shí)的應(yīng)力分布和 過(guò)載時(shí)極限拉應(yīng)力。為便于分析,簡(jiǎn)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 明，當(dāng)連接件受到來(lái)自于彈性體壓應(yīng)力時(shí),連接件背 面中心部位存在拉應(yīng)力（圖3中MX處),拉應(yīng)力方 向垂直于軸向應(yīng)力，當(dāng)軸向載荷為1 500 kN時(shí),連 接件背面最大拉應(yīng)力為846. 61 MPa。

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，圖4a、4c連接件分別來(lái)自于含硫環(huán) 境的用戶現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室。沿垂直于連接件背面方向 制備金相試樣。圖4b為4a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(kuò)展,具有應(yīng)力 腐蝕開裂特征。圖4d為4c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 體,鐵素體體積分?jǐn)?shù)為5 %?10 %,裂紋自連接件背面S鐵素體處萌生并擴(kuò)展。

從2Cr13連接件裂紋擴(kuò)展形式可推測(cè),其應(yīng)力 腐蝕抗力和強(qiáng)韌性不足。2Cr13馬氏體不銹鋼4c3 為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(shí)形成的條狀S 鐵素體。所以盡管250 t回火遠(yuǎn)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(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下,連接件發(fā)生應(yīng)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(yīng)力方向垂直’S鐵素體強(qiáng)度低, 對(duì)基體起分割作用，連接件受載時(shí)裂紋從連接件背 面S鐵素體萌生,并沿S鐵素體向連接件內(nèi)部擴(kuò)展。

總之,熱處理工藝不當(dāng)造成連接件應(yīng)力腐蝕開裂。

2.試樣制備和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為2Cr13熱軋棒,其化學(xué)成分(質(zhì)量分 數(shù)/ %)為 0. 20C,12. 5 Cr ,0. 29 Mn,0. 50Si ,0. 15 Ni ,0. 03 P,0. 015 S,余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 樣（GB/ T 229 - 1994)、應(yīng)力腐蝕試樣（GB/ T 15970. 7 - 2000)和連接件各準(zhǔn)備兩組,除了連接件 每組由2個(gè)試樣,其余每組由3個(gè)試樣構(gòu)成。所有 試樣機(jī)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 藝)，淬火和回火加熱保溫時(shí)間分別為1.5 h和3 h。

用Leica DMLM型光學(xué)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(yīng)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(yīng)變應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)法（SSRT)對(duì)比熱處理工藝改 進(jìn)前后連接件應(yīng)力腐蝕抗力（設(shè)備型號(hào)SERT- 5000-D9H),試驗(yàn)條件:常溫,拉伸應(yīng)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(yàn)機(jī)型號(hào)JB- 30A;拉伸試驗(yàn)機(jī)型號(hào)MTS810;硬度儀型號(hào)HR- 15A;疲勞試驗(yàn)機(jī)型號(hào)MTS810. 21 ,疲勞測(cè)試時(shí)脈 動(dòng)壓應(yīng)力載荷50?500 kN ,頻率8 Hz。

3.試驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1力學(xué)性能

由表1可見,采用新工藝后,2Cr13鋼的強(qiáng)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(dá)到了 100萬(wàn)次疲勞+ 1 500 kN靜壓的設(shè)計(jì)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)。

3. 3應(yīng)力腐蝕性能

慢應(yīng)變應(yīng)力腐蝕測(cè)試原理是,在10-5?10-7 s-1 應(yīng)變速率拉伸條件下,對(duì)比試樣在惰性和腐蝕介質(zhì)中 由應(yīng)力-應(yīng)變曲線包圍的內(nèi)積功,得出材料應(yīng)力腐蝕 敏感性[7]。式1[7]為應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)Iscc計(jì)算方 法,IScc值越大,材料的應(yīng)力腐蝕敏感性越大，當(dāng)Iscc > 35 %時(shí)，材料具有顯著的應(yīng)力腐蝕傾向；當(dāng)Iscc ^25 %時(shí),材料無(wú)明顯的應(yīng)力腐蝕傾向叫

式中：I惰為在惰性介質(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(jì)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(jìn)后,2Cr13鋼在強(qiáng)韌性提高 的同時(shí),應(yīng)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(zhǔn)解理+少量韌窩,表現(xiàn)為脆 性;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(gè)典型用戶試用,9個(gè)月以 來(lái)未發(fā)生一起開裂失效,說(shuō)明新工藝可以滿足2Cr13鋼連接件的使用要求。

新工藝提高了淬火加熱溫度，2Cr13鋼組織中 的S鐵素體被充分溶解，從而顯著提高了 2Cr13鋼 的綜合力學(xué)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(yīng)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(qiáng)韌 性得到顯著提高，連接件應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)從原 來(lái)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。