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三种芯棒用合金钢的热疲劳性能对比

2017-01-22 09:24 来源：中联钢

芯棒是现代热连轧无缝钢管生产中最重要的工具之一，其服役条件十分恶劣，在高温下承受很大的复杂机械应力，同时经受着反复循环热应力。随着使用次数的增多，疲劳裂纹扩展延伸，最终由于裂纹超深或局部出现凹坑、掉块、划痕等缺陷导致芯棒失效，热疲劳裂纹是芯棒的主要失效形式。因此，热疲劳性能对芯棒的使用寿命起着重要作用。本次工作主要利用自约束热疲劳试验方法，对比研究新型芯棒用钢TBX-1、TBX-4和传统芯棒用钢H13的热疲劳性能，分析其热疲劳裂纹萌生、扩展过程以及影响其热疲劳性能的主要因素，为有效提升国产芯棒用钢性能提供理论依据。

H13钢为电渣重熔的国产钢，经退火切削后截面尺寸为210mm×170mm，TBX-1和TBX-4钢采用相同的冶炼工艺，得到150mm的钢锭，三种钢的化学成分如表1所示。热疲劳试样从钢材横截面中心沿轧制方向取材。三种试验钢的热处理工艺，以及热处理后的硬度与冲击功如表2所示。经过淬回火试验后，三种钢的组织均为回火马氏体，马氏体基体上分布着回火析出的碳化物颗粒，其中H13钢的组织较为细小，碳化物颗粒尺寸也小于TBX-1和TBX-4钢。

表1 三种钢的化学成分（质量分数，%）

钢号	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Nb	P	S
TBX-1	0.30	0.25	0.94	3.46	0.48	0.36	0.052	≤0.025	≤0.005
TBX-4	0.37	1.00	0.80	4.93	0.51	0.36	0.032	≤0.025	≤0.005
H13	0.35	1.00	0.40	5.23	1.23	0.95	-	≤0.025	≤0.005

表2 三种钢的热处理工艺及性能

材料	淬火/℃	回火工艺	回火硬度（HRC）	冲击功/J
TBX-1	950	600℃×2h，两次	36.0	52
TBX-4	950	600℃×2h，两次	35.5	71
H13	1030	640℃×2h，两次	35.8	15

采用自约束冷热疲劳试验方法，即瑞典Uddeholm热疲劳方法进行热疲劳试验。热循环方式：高温700℃，室温控制在20℃；加热时间3.8s，加热后停1s，冷却时间8s，冷却后停1s；冷却介质：自来水；循环次数400～3000次。试样分别经循环400、1000、3000次后，在稀盐酸（10%）溶液中浸泡1015min去除表面氧化皮。采用体视显微镜对热疲劳裂纹形貌进行观察。采用先进的图像处理技术对热疲劳裂纹进行分析，并将试样沿其加热区中部剖开，观察热疲劳裂纹深度。采用MH-3型数显式显微硬度计从样品表面至心部测量显微硬度，并借助计算机辅助平台计算钢的热疲劳表面损伤因子和截面损伤因子。冲击试验在JB-50B型冲击试验机上进行。试验结果表明：

（1）H13钢在400次循环时表面未出现明显疲劳裂纹，TBX-1钢和TBX-4钢均在400次左右萌生疲劳裂纹。

（2）分别计算三种芯棒用钢的热疲劳损伤因子，TBX-4钢的热疲劳损伤因子小于H13钢和TBX-1钢的。热疲劳试验后，TBX-4钢表面裂纹均匀、细小，截面裂纹深度最小，未形成明显的主裂纹，其热疲劳抗力高于TBX-1钢和H13钢。

（3）三种芯棒用钢在硬度相近的情况下，由于TBX-4钢具有优异的冲击性能，故其表现出良好的热疲劳性能，说明冲击韧性对材料的热疲劳性能起着决定性作用。