相变诱发塑性锚杆材料控冷热处理组织与性能.pdf

中国矿业大学学报990 318 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG 塑性好的钢, 强度则 不高. 锚杆要求14～15以上的延伸率. 在此条件下, 一般经调质热处理的低合金钢屈服 强度都在90 0 M Pa 以下, 极限强度不超过10 0 0 M Pa . 若要进一步提高锚杆的承载力, 只有加 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 318 . h t m （第 1／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 52 中国矿业大学学报990 318 大锚杆直径. 英国开发了直径32 m m 的大锚杆［1］ Bi g Bo l t , 其屈服载荷达50 0 k N 屈服强 度为6 2 2 M Pa . 相变诱发塑性［2 ］ t r a n s f o r m a t i o n i n d u c e d p l a s t i c i t y , T RI P 是能够同时提高钢的强度 和塑性的一种强韧化方法. 它利用钢中的残留奥氏体组织在应变作用下诱发马氏体相变 和相变诱导塑性的性质, 来提高钢的塑性. 6 0 年代在含镍、铬、钼等高合金钢中发现T RIP 效应［2 ］, 这种钢要求2 0 ～2 6 的镍、铬含量, 价格昂贵, 未能推广应用. 文献［3］中提 及，曾用延伸率达39的奥氏体钢制成锚杆在井下试用, 因价格太贵未能推广. 8 0 年代, 研 究发现 F M 或B A 钢中, 有T RI P效应, 因而导致了Si -M n 系T RI P钢的研究. 目前, 这种钢以 其高强度、高塑性、低成本的特点已开始工业规模的生产和应用［4，5］. 但是, Si -M n 系 T RIP钢须采用中温B区等温淬火工艺进行热处理，该工艺因浴槽的温度必须保持恒定, 有时还要采取冷却措施, 因而在工业规模的生产中受到一定的限制. 控制冷却热处理技术是近年来发展的一种高效、节能的热处理方法. 在Pa t e n t i n g 钢 丝［6 ］、Q 2 7 5矿工钢和2 0 M n K U 型钢［7 ，8 ］的热处理中, 已有采用控冷热处理的报道. 对于锚杆, 若能以水冷 或油冷 至一定温度 空气炉等温的工艺代替硝盐浴等温淬火, 将 有利于简化热处理工艺, 使之易于机械化和自动化生产. 本文研究了由曲敬信、邵荷生 等［9］研制的高碳Si -M n 系T RI P钢的控冷热处理组织与力学性能, 旨在为T RI P钢锚杆的 工业化生产应用提供技术依据. 1 试验方法 试验用钢与文献［9］中相同, 其化学成分范围列于表1. 表1 试验用钢的化学成分范围 T a b l e 1 T h e r a n g e o f c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f t e s t i n g s t e e l CSiM nSP 0 . 5～0 . 7 1. 7 ～2 . 5 0 . 6 ～1. 8 0 . 0 4 0 . 0 4 试验用钢经锻造, 6 0 0 ℃高温回火后, 加工成φ8 40 m m 拉伸试样, 经8 90 ℃奥氏体化, 在油中分别冷却3～7 s , 再转入40 0 ～42 0 ℃的空气炉中等温30 m i n 后空冷. 本次试验采用油 冷, 主要是考虑到其控冷试验比水冷更容易实现. 而油的冷速在高温区与硝盐浴相当, 在 等温温度附近比硝盐浴要快. 8 90 ℃加热和空气炉等温均在4k W 箱式实验电炉中进行. 为了便于比较，对低合金钢锚杆进行了不同回火温度下的调质热处理. 控冷和调质热处理后的试样经磨光, 在W E-6 0 材料试验机上进行拉伸试验. 奥氏体体 积分数用D / m a x -RA 型X射线衍射仪测定, Cu 靶, 40 k V, 衍射线经石墨单色器单色化, 根据 2 11α, 2 2 0 γ和311γ衍射峰积分强度计算奥氏体量. 用S-2 50 型, CSM -950 型扫描电镜和H - 8 0 0 型透射电镜进行了断口和组织观察与分析. 2 试验结果与分析 2 . 1 力学性能 高碳Si -M n 系T RI P钢奥氏体化后, 经不同时间油冷 空气炉等温30 m i n 的拉伸试验 结果列于表2 . f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 318 . h t m （第 2 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 52 中国矿业大学学报990 318 表2 高碳Si -M n 系T RI P钢控冷的拉伸试验结果 T a b l e 2 T e n s i l e p r o p e r t i e s o f h i g h c a r b o n Si -M n T RI P s t e e l u n d e r c o n t r o l l e d c o o l i n g 样品 编号 油冷 时间/ s 屈服 强度/ M Pa 抗拉 强度/ M Pa 延伸率/ 断面 收缩率/ 硬度/ H RC 137 901 0 7 1165332 24-9961 16 72 65933 341 0 441 2 532 05634 441 10 71 2 8 6174436 551 1901 330165540 661 3161 48 3155541 761 3501 4971556- 871 38 71 52 8145346 971 3531 5351454- 从表2 中可见, 随油冷时间延长, 强度、硬度一致升高; 在油冷4s 时, 塑性达到最大值 2 0 ～2 6 , 这表明已发生明显的相变诱发塑性; 在油冷时间为5～7 s 的范围内, T RI P钢表现出很高 的抗拉强度 1330 ～1530 M Pa 和良好的塑性 16 ～14 ; 拉伸断口宏观上为明显的杯锥状断 口, 断口纤维区微观形貌是一种典型的等轴韧窝形貌 见图1 . 图1 断口纤维区的SEM 照片 2 0 0 0 Fi g . 1 Sc a n n i n g e l e c t r o n m i c r o g r a p h s o f f i b r o u s f r a c t u r e 2 0 0 0 图2 是高碳Si -M n 系T RI P钢控冷后的强度与现有低合金钢锚杆经调质热处理后的比较. 可以看出, T RIP钢控冷后的强度有大幅度的提高; 在相同塑性水平下, 屈服强度比现有锚杆可 提高35～50 , 抗拉强度可提高40 ～55. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 318 . h t m （第 3／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 52 中国矿业大学学报990 318 图2 T RI P钢与现有锚杆的强度比较 Fi g . 2 St r e n g t h c o m p a r i s o n o f T RI P s t e e l a n d n o w a v a i l a b l e b o l t T RI P钢极限强度； ●T RI P钢屈服强度 □ 现有锚杆极限强度； ○ 现有锚杆屈服强度 2 . 2 微观组织 图3是高碳Si -M n 系T RI P钢控冷后的显微组织, 图4为油冷4s 和油冷6 s 试样明场T EM 照片. 由图3a ～3d 和图4可见, 油冷4～7 s , 等温的控冷组织主要是由交替排列的两相组成, 板条状的 组织为贝氏体铁素体; 选区电子衍射花样证明 见图5 分布其间呈膜状的组织为奥氏体, 板条 贝氏体的亚结构为高密度位错; 随油冷时间的增加, 贝氏体铁素体板条间距减小 见图3a ～ 3d ; 组织中还有少量块状残留奥氏体, 且随油冷时间的延长, 有减少的趋势. 而油冷3s 试样因油 冷时间过短, 油冷后的温度过高, 组织是 大量的细片状珠光体, 少量的贝氏组织和块状残留奥 氏体, 残留奥氏体量经X射线衍射测定在2 以下, 见图3e . f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 318 . h t m （第 4／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 52 中国矿业大学学报990 318 图3 显微组织的SEM 照片 2 0 0 0 Fi g . 3 Sc a n n i n g e l e c t r o n m i c r o g r o y c h s 2 0 0 0 图4 明场T EM 照片 Fi g . 4 T r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o g r a p h s f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 318 . h t m （第 5／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 52 中国矿业大学学报990 318 图5 油冷4 s 样选区电子衍射花样和指标化值 Fi g . 5 D i f f r a c t i o n p a t t e r n a n d i n d e x d i a g r a m t a k e n f r o m 4 s o i l -c o o l i n g 2 . 3 奥氏体量与性能 图6 为油冷时间与残留奥氏体量、延伸率和强度的关系. 在4～7 s 范围内，随油冷时间 减少，奥氏体量增加，塑性升高，强度降低. 当奥氏体量超过14以后，延伸率显著提高， 这可能与奥氏体形态和其稳定化程度有关. 李华等［10 ］发现，试样经拉伸后，在其颈缩部 位及附近区域观察不到拉伸前所存在的“弧立型”的奥氏体，因而认为“弧立型”奥氏体 不稳定. 本试验中，在油冷4s 左右的组织中有少量呈块状的奥氏体 见图3a ，奥氏体总量为 14～16 ，这部分块状奥氏体在拉伸时完全转变为马氏体，并诱发塑性，导致延伸率显 著提高. 图6 油冷时间与残留奥氏体量、 延伸率和强度的关系 Fi g . 6 O i l -c o o l i n g t i m e r e l a t i o n o f r e t a i n e d a u s t e n i t e , t o t a l e l o n g a t i o n , y e i l d a n d t e n s i l e s t r e n g t h □ 延伸率； ○ 奥氏体量； 抗拉强度； ● 屈服强度 3 结 论 1 高碳Si -M n 系T RI P钢控冷 油冷 空气炉等温 后, 可以得到很高的屈服强度 990 ～1 38 0 M Pa 和很高的抗拉强度 1 16 0 ～1 530 M Pa 以及良好的塑性 2 6 ～14 ; 在一定 范围内随油冷时间延长, 强度、硬度升高, 塑性降低. 2 控冷后的组织主要是由贝氏体铁素体板条和呈膜状的以少量块状的奥氏体组成, 奥氏 体量可达到16 ～10 ; 在一定范围内随油冷时间延长, 残留奥氏体量减少; 贝氏体铁素体板条 间距减小; 贝氏体基体强度高, 可承受大的载荷以发挥其高强度的优势, 奥氏体塑性好, 易于塑 性变形和加工硬化, 有利于抑制裂纹的产生和扩展. 3 以控冷热处理工艺代替中温硝盐浴等温淬火工艺是可行的. 它可以简化T RI P钢的热 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 318 . h t m （第 6 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 52 中国矿业大学学报990 318 处理工艺过程. 特别适合于像锚杆这类具有规则截面尺寸的工件的大规模生产应用. 4 高碳Si -M n 系T RI P钢不含贵重合金元素, 且Si , M n 总量小于5, 加之以控冷热处理代替 中温硝盐浴等温淬火, 具有生产工艺简单, 强塑性高, 价格低廉的优势, 是一种很有前途的超高 强度锚杆材料. 作者简介 江 利，男，1957 年生，工学硕士 博士研究生 ，副教授 作者单位江 利 中国矿业大学机电学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 陈 涛 永城煤电集团有限责任公司 河南永城 47 6 6 0 0 参考文献 1 H u r t K . Ne w d e v e l o p m e n t i n r o c k b o l t i n g . Co l l i e r y G u a r - d i a n , 1994, 2 4 4 133～138 2 何景素，王燕文. 金属的超塑性. 北京科学出版社，198 6 . 2 49～2 55 3 陈炎光, 陆士良. 中国煤矿巷道围岩控制. 徐州 中国矿业大学出版社, 1994. 311 4 Sa k u m a Y, M a t s u m u r a O ， T a k e c h i H . M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d r e t a i n e d a u s t e n i t e i n i n t e r c r i t i c a l l y h e a t -t r e a t e d Ba i n i t e -t r a n s f o r m e d s t e e l a n d t h e i r v a r i a t i o n w i t h Si a n d M n a d d i t i o n s . M e t a l l . T r a n s . , 1991, 2 2 A 2 48 9～498 5 王 绪, 花礼先, 王四根. 硅锰系相变诱发塑性钢的热处理工艺研究. 金属热处理, 1995 6 14 ～17 6 刘云旭, 王 淮, 于仲元. Pa t e n t i n g 钢丝的热处理改革. 钢铁，198 9, 2 1 2 40 ～45 7 江 利, 孙 智, 倪振尧. Q 2 7 5钢控制冷却工艺与性能研究. 金属热处理，1993 3 2 0 ～2 3 8 江 利, 孙 智, 陈庆敏. U 型钢热处理工艺与性能研究. 煤炭科学技术，1993，2 1 6 35～38 9 杨东方, 曲敬信, 邵荷生. 奥氏体-贝氏体钢的显微组织和力学性能. 中国矿业大学学报， 1993, 2 2 3 47 ～53 10 李 华，沈 莲，孙海林. F-M -A 三相钢中奥氏体的稳定化和机械稳定性. 机械工程材 料，1993，17 3 13～16 收稿日期 1998 -0 9-0 2 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 318 . h t m （第 7 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 52