五金解讀：非調(diào)質(zhì)鋼MFT8的高溫拉伸與持久性能

      通過高溫拉伸和持久實(shí)驗(yàn)研究了非調(diào)質(zhì)鋼MFT8 的高溫力學(xué)性能，用掃描電子顯微鏡觀察高溫拉伸和持久實(shí)驗(yàn)試樣的斷口形貌及組織演變規(guī)律。結(jié)果表明，從室溫至500 ℃范圍內(nèi)，MFT8 鋼晶粒尺寸、析出相形貌未發(fā)生明顯變化，高溫強(qiáng)度的降低主要由于位錯(cuò)強(qiáng)化作用的減弱; 在450 ℃條件下，MFT8 鋼具有以穿晶斷裂和高塑性為代表的低溫蠕變特點(diǎn)，材料內(nèi)部雖然出現(xiàn)部分蠕變孔洞，但導(dǎo)致蠕變斷裂的主要原因?yàn)槲龀鱿囝w粒處應(yīng)力集中引起的楔形開裂; 對(duì)持久數(shù)據(jù)的線性外推得出，MFT8 鋼450 ℃在10 萬小時(shí)的持久強(qiáng)度為184. 4 MPa。

      非調(diào)質(zhì)鋼由于具有與調(diào)質(zhì)鋼相近的力學(xué)性能，同時(shí)省去了淬火、回火等高能耗工序，近年來獲得了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。作為典型的冷作強(qiáng)化型非調(diào)質(zhì)鋼，MFT8 采用熱軋后冷拔與時(shí)效處理相結(jié)合的工藝手段，綜合利用細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化等方法，使其強(qiáng)度滿足8. 8 級(jí)緊固螺栓的國家標(biāo)準(zhǔn)，在汽車制造等領(lǐng)域已經(jīng)得到充分的應(yīng)用。目前，對(duì)于非調(diào)鋼的研究主要集中于強(qiáng)韌化機(jī)制分析和加工生產(chǎn)流程的改良，即已經(jīng)建立起該類材料在常溫下組織、性能和生產(chǎn)工藝之間關(guān)系的系統(tǒng)理論。值得注意的是，在能源動(dòng)力等領(lǐng)域同樣大量需求高溫緊固件，如果非調(diào)質(zhì)鋼可以應(yīng)用于這些領(lǐng)域，將有利于我國節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。然而，按照經(jīng)典理論，非調(diào)鋼的多種強(qiáng)化機(jī)制在高溫下均存在退化的可能，如晶粒粗化、位錯(cuò)對(duì)消、析出相回溶等。

      目前對(duì)非調(diào)鋼高溫力學(xué)性能的研究比較少，且主要為瞬時(shí)高溫拉伸性能的報(bào)道，缺少對(duì)材料熱強(qiáng)性，即高溫蠕變持久性能的研究。針對(duì)以上問題，本文對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼MFT8 的高溫拉伸和持久性能進(jìn)行分析，研究高溫下不同強(qiáng)化機(jī)制的減弱程度，分析高溫拉伸與持久的斷裂行為，為擴(kuò)展該材料的應(yīng)用范圍提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1、實(shí)驗(yàn)材料及方法

      實(shí)驗(yàn)用MFT8 冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼的名義成分如表1 所示，經(jīng)過熱軋的MFT8 鋼直徑為11. 2 mm，冷拔至直徑9. 0 mm 后，在250 ℃條件下保溫2 h 以獲得最佳的常溫力學(xué)性能。經(jīng)過該標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)流程，MFT8 鋼的組織形貌如圖1 所示，基本組織為鐵素體+ 碎化珠光體，晶粒度為12 級(jí)( 按照GBT 6394 -2002 測(cè)定) 。

表1 非調(diào)質(zhì)鋼MFT8 的名義化學(xué)成分( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

非調(diào)質(zhì)鋼MFT8 的名義化學(xué)成分

MFT8 鋼的原始組織

圖1 MFT8 鋼的原始組織( a) 和析出相形貌( b)

      高溫拉伸實(shí)驗(yàn)溫度選定為100、150、200、250、300、400 和500 ℃，實(shí)驗(yàn)按照GB /T 4338 - 1995 進(jìn)行。持久實(shí)驗(yàn)在GNCJ-100 型蠕變持久試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)條件由高溫拉伸測(cè)試結(jié)果分析得出，具體溫度為450 ℃，應(yīng)力范圍為680 ～ 290 MPa。所有試樣在斷裂后用JSM-6360LV 掃描電鏡進(jìn)行斷口觀察，同時(shí)為了分析高溫拉伸和持久過程中的組織演變，在斷口后方的平行區(qū)域內(nèi)分別沿縱向、橫向取樣進(jìn)行形貌分析。用于組織觀察的試樣經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)金相制樣方法( 砂紙打磨+ 機(jī)械拋光) 處理后，采用4%硝酸酒精溶液侵蝕。

2、結(jié)論

1) 在室溫至500 ℃范圍內(nèi)，MFT8 鋼的晶粒尺寸和析出相形貌沒有明顯變化，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的降低主要由于位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制的減弱;

2) 在450 ℃條件下，MFT8 鋼表現(xiàn)出典型的低溫蠕變特點(diǎn)，材料為穿晶斷裂并具有較高的塑性，試樣內(nèi)部雖然出現(xiàn)部分蠕變孔洞，但導(dǎo)致蠕變斷裂的原因?yàn)槲龀鱿囝w粒處應(yīng)力集中引起的楔形開裂;

3) 持久數(shù)據(jù)的線性外推結(jié)果表明，MFT8 鋼在450 ℃10 萬小時(shí)的持久強(qiáng)度為184. 4 MPa，在強(qiáng)度層面已經(jīng)具備了代替火電廠用同等級(jí)調(diào)質(zhì)鋼的潛質(zhì)。