分享：GCr15轴承钢的高温力学性能

轴承钢作为非常关键的基础配件，广泛应用于农业、工业、航天、海洋等领域。GCr15轴承钢是典型的高碳铬轴承钢，因其工作环境较为恶劣，会受到各种拉力、压力、摩擦力以及腐蚀的相互作用，所以不仅要求该钢具有较高的强度、硬度，同时还要求其具有良好的疲劳性能、可加工性能、耐腐蚀性能等，以满足高品质GCr15轴承钢的生产需求。 

高温热塑性和抗拉强度是表征材料高温力学性能的重要指标，研究[1-7]表明，材料的高温力学性能与连铸坯裂纹的产生息息相关。目前，对GCr15轴承钢品质提升的研究主要集中在成分及均匀性控制、碳化物析出与分布，以及非金属夹杂物控制等方面[8-10]，对高温热塑性的相关研究较少。笔者采用热模拟试验机对GCr15轴承钢进行不同温度下的高温拉伸试验，分析了该钢的热塑性曲线，观察了其断口形貌，结果可为实际生产中确定GCr15轴承钢合理的连铸工艺提供理论支撑。 

1.   试验材料及方法

试验材料采用某单位生产的GCr15轴承钢，其主要化学成分如表1所示。将试验材料加工成规格为10 mm×121.5 mm（直径×长度）的拉伸试样，试样两端须加工出长度为15 mm的螺纹，且保证试样表面光滑、无油污等，避免影响其导电性能。热模拟试验机以10 ℃/s的升温速率将试样温度升高至1 280 ℃，保温5 min，再以3 ℃/s的降温速率将试样温度降低至600~1 250 ℃，每50 ℃一个间隔，在拉伸温度保持30 s后，以1×10−3 s−1的拉伸速率对试样进行拉伸，试样断裂后，快速水冷以保留断口组织，具体工艺过程如图1所示。用线切割方法将拉断的两截试样进行再次加工，采用扫描电镜（SEM）观察断口的形貌，采用光学显微镜观察断口的显微组织。 

图  1  GCr15轴承钢的高温拉伸试验工艺过程示意

2.   试验结果与分析

2.1   试验钢的高温力学性能曲线

抗拉强度和热塑性是表征材料高温力学性能的重要指标，其中，断面收缩率Z按式（1）进行计算。研究[11-18]认为，将Z=60%作为划分高塑性区和低塑性区的指标，Z大于60%时，说明材料越容易发生塑性变形。当位错密度增大时，变形过程中出现应力集中，则容易发生断裂；当Z小于60%时，说明材料不容易发生塑性变形，则不容易产生裂纹。所以，研究材料铸坯的高温力学性能对后续连铸生产工艺的制定意义重大。 

式中：D0为试样的原始直径；D1为试样拉断后的直径。 

图2为试验钢抗拉强度和断面收缩率随温度的变化曲线，从图2可以看出：随着温度的不断升高，试验钢的抗拉强度不断降低，600 ℃下试验钢的抗拉强度最高，为481 MPa，直到700 ℃时，抗拉强度下降到247 MPa，下降幅度较大；当温度升高到750~1 250 ℃时，试验钢的抗拉强度下降得较为缓慢，直到温度上升为1 250 ℃时，试验钢的抗拉强度降到最低；在整个试验温度范围内，试验钢的断面收缩率先是不断增大然后再减小，600~650 ℃时试验钢的断面收缩率仅为7%左右，是整个测试温度范围内的最低值；随着温度升高到850 ℃，断面收缩率虽有一定的增大，最大到52%左右，但仍然低于60%。可见，600~850 ℃为试验钢的脆性区间；当温度升高到900 ℃时，试验钢的断面收缩率急剧增大到86.82%，到950 ℃达到最大值87.32%，随后逐渐减小，但在温度为900~1 250 ℃时，试验钢的断面收缩率均大于60%，说明该温度范围内试验钢的塑性较好，为试验钢的高塑性区。综上所述，试验钢在整个温度范围内仅存在第Ⅲ脆性区，600~850 ℃为试验钢的脆性区，断面收缩率均小于60%，该温度范围内材料的塑性较差，铸坯易产生裂纹，不宜进行加工，在实际生产中应避免在该温度区间进行矫直加工。900~1 250 ℃为试验钢的高塑性区，断面收缩率均大于60%，该温度范围材料的塑性较好，不易产生裂纹，尤其是900~950 ℃时宜进行铸坯矫直加工等。 

图  2  试验钢抗拉强度和断面收缩率与温度的关系

2.2   断口形貌

图3为在不同温度下的试验钢断口低倍SEM形貌。由图3可知：不同温度下，断口形貌相差较大，随着温度的升高，断口由圆台状逐渐向圆锥状转变；塑性差的断口形貌直径较大，断面较平整，几乎没有发生颈缩现象，韧窝较少甚至不存在，断口呈现明显脆性断裂特征，如图3（a）、3（b）所示；塑性好的断口形貌直径较小，发生明显的颈缩，断口有明显的韧窝，呈韧性断裂特征，如图3（c）、3（d）所示。 

图  3  不同温度下试验钢断口低倍SEM形貌

图4为在不同温度下的试验钢断口高倍SEM形貌。由图4可知：600 ℃和700 ℃温度下试样呈冰糖状断口形貌，断口附近几乎未发生塑性变形，呈沿晶脆性断裂特征，形成这种沿晶脆性断裂现象的原因是奥氏体向铁素体转变，二者晶界强度不同，在变形时造成应力集中，导致试验钢发生脆性断裂；850 ℃时试样断口有韧窝出现[见图4（c）]，韧窝数量较少，深度较浅，说明该温度下塑性有一定提高；随着温度升高到950~1 150 ℃，断口形貌中韧窝数量增加，孔洞变大且变深[见图4（e）~4（f）]。韧窝越大、越深，断面收缩率也会越大，此时材料的塑性也较好，呈典型的穿晶韧性断裂特征，断裂的原因是高温下试样发生了动态再结晶，该行为给予晶界足够的驱动力，随着晶界移动，变形不断发生，这些孔洞逐渐聚合、长大，最后导致晶界断裂。尤其是950 ℃下，韧窝大而深，结合断面收缩率可发现，950 ℃下断面收缩率最大，说明试样在该温度条件下能够获得良好的高温热塑性。 

图  4  不同温度下试验钢断口高倍SEM形貌

2.3   断口附近显微组织

图5为不同温度下试验钢断口的显微组织形貌。由图5可知：当温度为600 ℃时，断口处的显微组织为铁素体和珠光体团簇，晶粒尺寸较大，晶界上有明显裂纹，裂纹大大降低了试验钢的塑性，裂纹扩展到一定尺寸便导致试验钢脆断；当温度为850 ℃时，断口显微组织为马氏体，组织中仍然存在裂纹，结合塑性曲线分析，这两个温度均处于脆性温度区间，试验钢的塑性较差，不利于进行材料加工；在温度为950 ℃和1 150 ℃时，试样断口附近的显微组织均为马氏体，且无裂纹存在，断面收缩率达70%以上，结合断口形貌，说明该温度范围下材料呈典型的韧性断裂特征，说明该条件下适合对试验钢进行热加工。 

图  5  不同温度下试验钢断口的显微组织形貌

3.   结论

（1）在600~1 250 ℃温度下，试验钢脆性区间为600~850 ℃，塑性区间为900~1 250 ℃；脆性区试样断裂是由于奥氏体向铁素体转变，在拉伸变形过程中，二者晶界强度不同造成应力集中，导致试样断裂。 

（2）950 ℃时断面收缩率最大，断口韧窝深而大，塑性最好。 

（3）实际生产中，应选择900~1 250 ℃塑性区间内的温度对材料进行矫直加工，以减少裂纹，为制定合理的生产工艺提供理论参考。

文章来源——材料与测试网