两种高强度弹簧钢的微观组织和疲劳性能之间的关系

两种高强度弹簧钢的微观组织和疲劳性能之间的关系

Jang-Chul Shin a, Sunghak Lee b,, Jae Hwa Ryu c

摘要：这是对两种高强度钢微观组织和疲劳性能的研究,即含钒和铬合金钢和0.84%的碳钢,用于汽车的膜片弹簧。在固定硬度条件下微观结构和拉伸强度是疲劳性能的研究焦点。疲劳试验结果表明，这两种钢的拉伸强度接近相同时(超过1400MPa)它们的疲劳极限是相等的,在高温热处理之后它们的疲劳极限在奥氏体合金钢中呈线性下降。这个结果是基于材料的微观结构参数,如前奥氏体晶粒尺寸、孪生碳化物和马氏体钢板的宽度。合金钢具有较高的拉伸强度，含有少量的碳化物比0.84％碳钢的疲劳性能更好。这些结果表明,弹簧钢的疲劳性能可以被预先估计来自拉伸强度、疲劳极限，而不是硬度。1999农业科技有限公司版权所有。

关键词：高强度弹簧钢；疲劳极限；显微组织；硬度；马氏体

1、介绍

弹簧是一种具有较高弹性应变的弹性材料，用于吸收突然施加的压力，存储弹性能量吸收的压力，或减轻施加影响；汽车离合器膜片是一种平板式弹簧狭缝,和功能连接的动力引擎,轮子或削减它，如图1。汽车的膜片弹簧暴露于重复疲劳周期(超过106个周期)高度的压力下(40%～50%的抗拉强度,因此需要钢具有优良的疲劳性能。大多数隔膜制造商用易于使用的硬度价值评价疲劳性能[1-3]。这是基于冷却、钢化合金钢洛氏硬度值(HRc)45～50, 当硬度是相同的时候。尽管它们的化学成分不同, 但是随着疲劳极限的增大,它们的硬度也增加[1,2]。然而，尽管这两种钢硬度相同，但它们经过高温回火后，微观结构差异很大。此外，同一种钢的疲劳极限，可能受到拉伸性能参数的影响，如前奥氏体晶粒、马氏体、沉淀的大小和形状以及微观力学性能。在评估弹簧钢的疲劳性能时，除了硬度还要考虑微观结构和机械对热处理条件。本研究旨在呈现目前用于汽车膜片弹簧50CrV4和SK5-CSP的钢本质上所需的基本数据，建立相对评估的弹簧钢疲劳性能的操作条件。在室温下固定硬度高循环疲劳试验进行了HR C44～45的条件，这是标准的弹簧钢的目标和结果进行了分析与微观结构，硬度和拉伸性能的重点。

图1一个汽车离合器和膜片示意图

2、实验

在这项研究中使用的材料是冷轧50 CrV4和SK5-CSP钢用于汽车隔膜弹簧。化学成分和制备过程都显示在表格1和2中。50 CrV4是一种添加铬和钒的合金钢；前者提高硬化效果[4]而后者提高沉淀硬化和抗回火能力[5-7]。SK5-CSP是一种碳含量达0.84%的高碳工具钢，但是它没有增加任何合金元素(表1)。为方便起见, 以下50 CrV4钢被称为A-Steel,而SK5-CSP被称作B-Steel。在钢的制备过程中，这两种钢主要分为酸洗、球化、冷轧、表皮光轧,热处理。其中,球化的顺序可能是根据这种钢热轧的厚度而有所不同,最终取决于冷轧硅钢片的厚度。

表1两种弹簧钢的化学成分(wt. %)

钢

碳

硅

锰

磷

硫

铝

铬

钒

铁

A-钢

0.49

0.29

0.82

0.012

0.004

0.031

1.06

0.11

Bal.

B-钢

0.84

0.18

0.44

0.012

0.003

0.002

0.17

—

Bal.

表2两种冷轧弹簧钢的制作过程

钢 制备过程

A-钢

热轧(3.5mm)→酸洗→冷轧(2.5mm)→球化(710°C,15h)→表面光轧(2.43mm)

B-钢

热轧(4.5mm)→酸洗→球化(725°C,13h)→冷轧(2.75mm)→减压退火(710°C,10h)→皮肤通过(2.63mm)

图2. (a)拉伸和(b)疲劳试样几何形状和尺寸(单位：mm)

在奥氏体850°C下，A-钢回火15分钟和B-钢回火5分钟,油淬火、回火在420°C 下持续1小时。为了研究奥氏体温度对疲劳性能的影响,A-钢在850、900、950°C 下奥氏体化15分钟,油淬,然后回火1小时，表面硬度是44～45 HRc(450°C的情况下奥氏体温度为900°C,470°C的情况下为950°C)。详细的热处理条件见表3。

硝酸酒精腐蚀后，用光学显微镜观察微观结构。在200千伏的加速电压下使用透射电子显微镜（TEM）观察微观因素，如马氏体，渗碳体，不溶性合金碳化物，并详细检查碳复型和薄箔的类型和大小。用扫描电子显微镜（SEM）来衡量标本有一个2.5毫米的切口，在液氮中断裂，然后前奥氏体晶粒尺寸大约沿晶面断裂。

平板式的拉伸和疲劳试样从热处理钢加工平行的轧制方向和尺寸如图2(a)和(b)。拉伸和疲劳试验标本的设计，测试和数据分别遵循ASTM-8规格和JISZ2275规格的程序。使用试验机在5mm/min的速度下进行拉伸试验。高循环疲劳试验，压缩和拉伸应力完全重复旋转产生的弯曲（平均应力=0）维持不变。一个日本岛津公司的平面弯曲疲劳试验机，适用于6赫兹的试样上应力。一旦发生故障，弯曲通过限制开关自动停止，从而记录冲程和挠度弯曲周期故障点的数量。

表3两种冷轧弹簧钢的热处理条件

钢奥氏体回火

A-钢850°C,15min→油淬火

420°C,15min→油淬火

950°C,15min→油淬火420°C,1h 450°C,1h 470°C,1h

B-钢850°C,15min→油淬火420°C,1h

3、结果

3.1微观结构

图3中的A和B是两个冷轧钢的热处理前的光学显微照片。两种钢显示典型的铁素体矩阵结构分布球状碳化物球化的结构，但B钢和A钢比具有较大的的碳化物和铁素体晶粒。当它们奥氏体在850°C下淬火,转化成马氏体如图图4 a 和b。几个球状碳化物不溶的B钢奥氏体中有大量的粗球状碳化物（图4B），虽然大部分在一个钢球形碳化物中溶解（图4a）。