中温回火温度对22MnB5钢扭力梁疲劳性能的影响

张燕呢,闵永安,陈 荣

(1.上海大学材料科学与工程学院,省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海 200444;2.上海汇众汽车制造有限公司,上海 201206)

0 引 言

为满足轻量化要求,管状扭力梁被广泛应用于汽车后悬架系统[1-2]。管状扭力梁服役过程中需承受复杂的弯曲和扭转载荷作用,应具备良好的强韧性和疲劳稳定性[3-4]。CP(复相)钢或DP(双相)钢管状扭力梁抗拉强度为500～800 MPa,热成形22MnB5钢管状扭力梁抗拉强度可达1 500 MPa[5]。然而,22MnB5钢管状扭力梁的疲劳寿命离散度较大,最高可达20万次,而最低疲劳寿命不足5万次。此外,高强钢成形范围窄,用于制造形状复杂的管状扭力梁时,各部位变形不均匀易产生应力集中,使得零件塑韧性降低[6]。22MnB5钢管状扭力梁的制造工艺通常为冲压成形,随后进行淬火和低温回火。淬火态22MnB5钢的抗拉强度可达1 500 MPa,断后伸长率在5%～7%,低温回火后其内应力部分释放,而塑韧性相对不足,疲劳可靠性下降[7]。通过优化热处理工艺来改善零件组织结构和表面应力状态,是提高零件疲劳性能的常用方法[8-10]。喷丸处理可向管状扭力梁表面引入残余压应力,从而有效抑制疲劳裂纹扩展,提高疲劳性能[9-10]。研究[11-13]表明,22MnB5钢经400 ℃回火后由于基体回复和碳化物析出,淬火应力显著降低,韧性显著提升。徐沛瑶等[14]研究发现,冲压成形CP800钢扭力梁去应力退火后,由于基体回复与沉淀强化的共同作用,强塑性显著提高,同时表面残余应力大幅降低,疲劳寿命延长至未退火态的1.5倍。另外,轴类零件相关研究[15]也表明,中温或高温回火有助于释放零件的淬火内应力,改善零件的疲劳开裂问题。

然而,目前对于回火温度对扭力梁疲劳性能影响的研究较少。为此,作者对淬火态22MnB5钢管状扭力梁进行不同温度(220,350,400,450,500 ℃)的回火处理,研究了回火温度对扭力梁疲劳性能的影响,以期为降低零件残余应力并改善其强韧性,提高扭力梁零件的疲劳寿命及稳定性提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为直径80 mm、壁厚3.5 mm的22MnB5钢管,由国内某钢厂开发,其化学成分(质量分数/%)为0.23C,0.25Si,1.35Mn,0.05Al,0.14Cr,0.007Mo,0.008Ni,0.012P,0.002B,0.001S。将钢管通过冷成形制成管状扭力梁,在淬火机床上进行(960±30) ℃感应淬火,随后在保护气氛炉中(保护气体为氩气)进行回火处理,回火温度分别为220,350,400,450,500 ℃,保温时间为30 min,空冷至室温。

在回火后试验钢上切取尺寸为10 mm×6 mm×3.5 mm的金相试样,经研磨、抛光、体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀后,采用ZEISS SIGMA 300型场发射扫描电镜(SEM)观察显微组织。采用MH-3型全自动显微硬度计测试维氏硬度,载荷为2.94 N,保载时间为10 s。根据GB/T 228.1—2010,采用线切割法制取标距尺寸为50 mm×12.5 mm的拉伸试样,如图1(a)所示,采用MTSC45.305型万能电子试验机进行拉伸试验,拉伸速度为3 mm·min-1。参考GB/T 229—2007,制取尺寸为55.0 mm×10.0 mm×3.5 mm的V2型缺口非标冲击试样,尺寸如图1(b)所示,采用PTMS4600型摆锤式冲击试验机进行冲击试验,试验温度分别为室温,0,-30 ℃。

图1 拉伸试样和冲击试样的尺寸Fig.1 Size of tensile sample (a) and impact sample (b)

扭力梁总成如图2(a)所示,包括扭力梁、左右纵臂、套筒、轮毂支架和弹簧盘[16]。根据扭力梁抗拉强度要求(不低于1 000 MPa),选取350,400,450 ℃回火扭力梁总成(各6组),采用自制扭力梁台架进行扭转疲劳试验,选取220,500 ℃下回火扭力梁总成(各2组)进行对比研究。扭转疲劳试验时,在扭力梁两端分别加载相位差为180°的正弦波力,位移幅为50 mm,频率为2 Hz,当扭力梁表面裂纹长度大于20 mm时停止试验并判定失效。基于疲劳试验结果,选取淬火态、220 ℃回火、450 ℃回火扭力梁靠近两端的薄弱区域(段Ⅰ和段Ⅱ)进行应力分析,该区域截面呈空心V型,如图2(b)所示。根据GB/T 7704—2017,采用X350-A型X射线应力测定仪测试段I和段II区域底部外表面(A)、外侧平整小应变区(B)、上部R角处(C和D)4个部位的表面残余应力,每点测3次取平均值,残余应力测试误差为±20 MPa,准直管直径为2 mm,应力常数K为318 MPa,电压为20 kV,电流为5 mA。

图2 扭力梁总成及段Ⅰ、段Ⅱ截面形状Fig.2 Torsion beam assembly (a) and shape of section I and section II (b)

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图3可知:220 ℃回火试验钢组织为回火马氏体,板条结构清晰可见,板条间析出少量碳化物,原奥氏体晶粒平均尺寸约为8 μm;350 ℃回火后马氏体分解程度增加,板条间界面处析出大量白色颗粒状碳化物;400 ℃回火后更多碳化物开始在晶内析出;450 ℃回火后碳化物聚集长大,明显球化,马氏体板条界面变得模糊;当回火温度升高至500 ℃时,大部分马氏体已经分解,板条特征逐渐消失,晶粒内部变得平滑。

图3 不同温度回火后22MnB5钢扭力梁的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at different temperatures: (a-e) at low magnification and (f-g) at high magnification

2.2 力学性能

由表1可知:随着回火温度升高,扭力梁的抗拉强度降低,断后伸长率增加,当回火温度为500 ℃时抗拉强度已低于最低抗拉强度1 000 MPa的设计要求;350 ℃回火后扭力梁的强塑积仅约为9.9 GPa·%,这是因为钢中碳化物沿晶界析出增强了脆性,导致强度较高而韧性不足;450 ℃回火后扭力梁获得12.3 GPa·%的高强塑积,高于传统22MnB5钢的强塑积(9.0～11.0 GPa·%)[12],这是因为马氏体基体回复以及碳化物球化,使得基体塑性显著改善;500 ℃回火后扭力梁强塑积降低,尽管此时断后伸长率高,但由于基体显著软化,抗拉强度很低。

表1 不同温度下回火后22MnB5钢扭力梁的拉伸性能Table 1 Tensile properties of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at different temperatures

由图4可知:220 ℃回火试验钢的显微硬度为430 HV,冲击吸收功约为84.3 J·cm-2;350 ℃回火后试验钢硬度下降,但冲击性能没有出现明显变化;450 ℃回火时由于基体软化,试验钢硬度明显降低至312 HV,冲击吸收功显著升高至106.9 J·cm-2;当冲击试验温度降低至0,-30 ℃时,试验钢的冲击吸收功未明显降低,差异在±11 J·cm-2之内,表明22MnB5钢具有较低的低温冲击敏感性。

图4 不同温度回火后22MnB5钢扭力梁的硬度和不同试验温度下的冲击吸收功Fig.4 Hardness (a) and impact absorbing energy under different test temperatures (b) of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at different temperatures

2.3 残余应力

由图5可知:淬火态扭力梁的段I和段II区域表面整体呈现较高水平的拉应力,最大约为250 MPa,除了段II的D点为-225 MPa的压应力,这可能与其周围材料协同变形差异有关;220 ℃回火后扭力梁表面应力有所释放,降至-80～150 MPa;450 ℃回火后扭力梁表面的应力水平显著降低,压应力最高达-120 MPa,拉应力最高约为25 MPa。扭力梁段I和段II区域A、C、D处为大应变位置,由于其塑性变形大且材料间变形严重不协调,其拉应力在回火温度为450 ℃时才显著降低;B处为小应变位置,不同温度回火后均转变为压应力,应力状态较好。

图5 淬火态和不同温度回火后22MnB5钢扭力梁表面的残余应力 Fig.5 Residual stresses on surface of 22MnB5 steel torsion beam after quenching or tempering at different temperatures: (a) section I and (b) section II

2.4 疲劳性能

管状扭力梁疲劳开裂位置多位于距离边部325～360 mm的R角处(如图6所示),裂纹方向平行于轴向,沿扭力梁直线延伸,长度为20～150 mm,说明该区域为扭力梁疲劳的薄弱位置。

图6 220 ℃回火后22MnB5钢扭力梁疲劳开裂位置示意Fig.6 Schematic of failure position of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at 220 ℃

由图7可知,350 ℃回火后扭力梁的平均疲劳寿命为(11.5±1.0)万次,400,450 ℃回火后的疲劳寿命稳定且离散度较小,分别为(10.3±2.4),(15.8±2.4)万次;220 ℃下回火后2组试样疲劳寿命分别为10.9万次和18.4万次;500 ℃下回火后疲劳性能显著恶化,2组试样疲劳寿命仅为6.4万次和9.7万次。回火温度由220 ℃升至400 ℃,扭力梁疲劳寿命逐步下降,450 ℃回火后扭力梁的疲劳寿命最长,500 ℃回火后疲劳寿命又下降。

图7 不同温度回火后22MnB5钢扭力梁的疲劳寿命Fig.7 Fatigue life of 22MnB5 steel torsion beam after tempering at different temperatures

扭力梁的疲劳行为与其显微组织和残余应力密切相关:高强度的马氏体组织以及淬火引入的局部高水平拉应力会显著增加疲劳开裂的风险[8]。常规热处理22MnB5钢的晶粒尺寸一般为12 μm[17],感应淬火热处理22MnB5钢的晶粒细化,尺寸约为8 μm。在扭转疲劳试验中,均匀细晶具备更强的协同变形能力,可有效避免局部应力集中。

马氏体板条界面更容易在切应力作用下成为裂纹萌生的薄弱位置[18]。450 ℃回火后22MnB5钢扭力梁马氏体分解加剧,板条界面合并减少,裂纹萌生概率降低,并且由于基体软化和回火碳化物球化,马氏体基体产生应力松弛[19];此外,由于450 ℃回火后扭力梁大应变部位的表面残余应力显著降低,且各部位应力分布均匀,因此扭力梁局部早期开裂风险显著降低,疲劳寿命稳定性增加。而220 ℃回火后22MnB5钢扭力梁中大量马氏体边界使其保持较高的强度而塑性不足,在切应力作用下容易萌生裂纹[20];并且此时大应变部分整体呈现较高水平的拉应力,故其疲劳试验结果较为离散。500 ℃回火后扭力梁疲劳寿命显著恶化则主要是由于基体软化,强度不足而引起的。

3 结 论

(1) 随着回火温度从350 ℃升至500 ℃,22MnB5钢扭力梁的抗拉强度降低,断后伸长率增加,强塑积先增大后减小,在回火温度450 ℃下达到最大,为12.3 GPa·%。随着回火温度升高,22MnB5钢扭力梁显微硬度减小,冲击吸收力增大。随着回火温度由220 ℃升至500 ℃,22MnB5钢扭力梁中的回火马氏体分解,板条特征逐渐消失,板条间界面处析出的碳化物数量增多并发生明显球化。

(2) 淬火态扭力梁表面整体呈现较高水平拉应力,回火后残余应力下降,且回火温度越高,下降程度越大。随回火温度升高,扭力梁疲劳寿命呈先下降后增再降的变化趋势,450 ℃回火疲劳寿命最长,达(15.8±2.4)万次。

(3) 22MnB5钢扭力梁的最佳回火温度为450 ℃,此时钢中马氏体明显分解,碳化物弥散析出,强塑积最大,残余应力释放充分,疲劳寿命最长。