尺寸因素对35CrMoV钢力学性能影响的试验研究

王思倩，张忠和，王飞宇，邹 鹏，于广义，刘业超

(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869)

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用35CrMoV钢的化学成分见表1，其中序号1是钢厂提供的化学成分，序号2是本试验前化学检验的数据，与复检化学成分比较接近，都满足“GBT 3077—1999合金结构钢”标准的化学成分要求，而且硫、磷含量都达到了特级优质钢的要求。该材料经电炉冶炼，采用自由锻造，锻造后进行机械加工，并经超声波探伤检验合格。

表1 试验材料的化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

选用直径φ260 mm的35CrMoV钢轴类锻件，粗加工后锯切成图1所示形状的试验材料，图1(a)锻件的高度是140 mm，图1(b)锻件的高度是100 mm，即两种尺寸锻件的有效厚度分别是100和140 mm。同炉热处理，工艺参数为900 ℃空冷+900 ℃水淬油冷+600 ℃空冷，两个锻件的不同之处是水淬时间不同，图1(a)锻件水淬125 s，图1(b)锻件水淬90 s。热处理后按图1(a)、(b)所示的尺寸位置线切割力学性能的试样，试样编号分别为11#、12#、13#、21#、22#、23#。常温拉伸试验的试样、试验方法等完全按标准“GB/T 228.1—2010金属材料 拉伸试验 第一部分:室温试验方法[1]”进行，拉伸试样为φ6 mm标准试样；冲击试验的试样、试验方法等按照标准“GB/T 229—2007金属材料-夏比摆锤冲击试验方法[2]”进行，冲击试样为10 mm×10 mm×55 mm的标准夏比冲击试样，之后进行力学性能的对比分析。利用冲击试样进行金相显微组织检验，金相显微组织检验方法按“GB/T 13298—2015 金属显微组织检验方法”标准的规定进行，结合力学性能进行对比分析。试验中还参考了文献[3-6]。

(a) 140 mm试样；(b) 100 mm试样图1 锻件尺寸及力学性能试样位置图(a) 140 mm specimen；(b) 100 mm specimenFig.1 The forging size and the sampling position of mechanical property

2 力学性能试验数据

两种不同尺寸试验用料、不同取样部位的力学性能试验数据列于见表2。

2.1 不同取样部位的力学性能对比分析

对同一个试样、不同取样部位11#、12#、13#试样的力学性能数据进行对比分析，试料表层11#试样的强度、硬度明显高于里层12#、13#试样的强度、硬度值；表层延伸率略低，表层断面收缩率略高，但总体上是表层和里层相差不大；冲击韧性指标也是表层明显高于里层的。综合力学性能上，表层的强度、硬度、冲击韧性明显高于里层的。再来比较力学性能由表及里的变化趋势，屈服强度、抗拉强度、硬度指标的变化趋势是逐渐降低，而且冲击韧性指标也呈现逐渐降低的规律。比较21#、22#、23#试样力学性能数据的变化趋势也同11#、12#、13#试样的变化规律一致。

表2 调质后试样的力学性能试验数据

2.2 不同试样相同取样部位的力学性能对比分析

对不同试样上相同取样部位的力学性能数据进行对比分析，比较最表层的11#、21#试样的力学性能数据，21#试样的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性、延伸率等指标明显高于11#试样的；21#试样的布氏硬度略高于11#试样的，分析其原因是装炉时该试料的表面同其它试料的间距很近造成的；断面收缩率的数值相等。比较次表层的12#和22#试样、最里层的13#和23#试样，趋势同最表层的一致，区别是冲击韧性指标的差异没有表层的差异大。也就是有效厚度100 mm试样均比140 mm试样对应位置的综合力学性能高，说明有效厚度尺寸对综合力学性能影响很大。

2.3 不同试料不同取样部位的力学性能对比分析

对不同试料上不同取样部位的力学性能数据进行对比分析，有效厚度100 mm试样里层的屈服强度、延伸率都比有效厚度140 mm试样表层的屈服强度、延伸率高，即有效厚度100 mm试样的最低屈服强度、延伸率值都高于有效厚度140 mm试样的；抗拉强度、硬度值、冲击韧性，虽然没有出现屈服强度这种情况，但有效厚度100 mm试样的最高、最低抗拉强度明显高于有效厚度140 mm试样的；布氏硬度、冲击韧性的最低值也明显升高。只有断面收缩率没有明显的变化规律。

2.4 水淬时间对力学性能影响的分析

有效厚度100 mm试样水淬时间90 s，有效厚度140 mm试样水淬时间125 s，尺寸大的试样的水淬时间虽然增加了35 s，按百分比时间增加了39%，而有效厚度尺寸增加了40%，水淬时间与有效厚度尺寸增加值，虽然几乎相等，但尺寸大的试料，在最高屈服强度低5.5%、最高抗拉强度低3%的情况下，冲击韧性还大幅降低了20%。对于水淬油冷的双液淬火，当有效厚度尺寸增加时，水淬时间同比增加时，对力学性能的影响还是很有限。

3 金相显微组织对比分析

3.1 表层与心部显微组织的对比分析

因为次表层和里层的力学性能相差不大，故其金相显微组织的差别也不会太大，所以选定表层和次表层的金相显微组织进行对比分析。比较有效厚度100 mm试样的表层和次表层的金相显微组织，见图2(a)、2(b)和图2(c)、2(d)，图2(a) 、2(b)是淬回火组织(回火索氏体)，说明淬火时表层得到的全部是马氏体组织，而且晶粒细小，金相组织均匀；图2(c)、2(d)是回火索氏体和贝氏体的混合组织，而且晶粒也不如表层的细小。金相显微组织的变化同力学性能的变化一致。

(a) 21#试样，100×；(b) 21#试样，500×；(c) 22#试样，100× ；(d) 22#试样，500×图2 表层和次表层金相组织(a) 21# specimen, 100× ; (b) 21# specimen, 500× ; (c) 22# specimen, 100 ×; (d) 22# specimen, 500×Fig.2 Microstructure of surface and subsurface

3.2 不同有效厚度试料表层试样的显微组织对比分析

不同试样相同位置的显微组织对比分析，应该分别进行表层和里层的金相显微组织的对比分析，由于里层的力学性能数据差异相对小一些，另外从应用的角度考虑也没有表层的重要，比较表层的21#和11#试样，见图3(a)、3(b)和图3(c)、3(d)，都是回火索氏体，组织差异不大，21#试样的晶粒更细小，金相组织更均匀；金相显微组织的变化同力学性能的变化一致。

(a) 21#试样，100× ；(b) 21#试样，500× ；(c) 11#试样，100× ；(d) 11#试样，500×图3 不同试样相同位置的的金相组织(a) 21# specimen, 100× ; (b) 21# specimen, 500× ; (c) 11# specimen, 100× ; (d) 11# specimen, 500× Fig.3 Microstructure of specimen at the same location of different material

4 结论

通过在不同尺寸的35CrMoV钢试料在不同部位取样，经热处理后进行力学性能和金相显微组织检验及对比分析，试验研究了尺寸因素对35CrMoV钢力学性能及显微组织的影响。结果表明：有效厚度100 mm和140 mm的试样，其表层到次表层的力学性能都有一个明显的下降，次表层再往里层，力学性能的下降幅度明显减小，呈现了综合力学性能下降的趋势；金相显微组织检验也由表层的回火索氏体组织，改变为回火索氏体和贝氏体的混合组织，同力学性能的变化规律一致。这个规律对于指导应用具有现实的意义。