超高强度结构钢AF1410热处理工艺对力学性能的影响

张声伟

贵州航天风华精密设备有限公司  贵州省贵阳市  550009

摘要：研究了热处理工艺对超高强度结构钢AF1410力学性能的影响。结果表明材料的淬火温度、回火温度和回火时间都会影响材料的力学性能，当热处理工艺为盐浴炉860℃×10min，油冷（20~80℃）→低温箱-70℃×100 min，空冷→空气炉510℃×（240~300） min，空冷时，可以满足设计要求的力学指标。

1.简介

超高强度结构钢AF1410是一种低碳高合金钢，不仅具有高的硬度和强度、而且具有较高断裂韧度的新型航空材料，是一种可能用于损伤容限设计的超高强度钢[1]。本文通过热处理工艺试验对该钢种的力学性能进行了研究，以获得该钢种良好的力学性能，满足设计的使用要求。

2.试验过程

   试验材料为AF1410钢棒材，试验材料尺寸如图1所示，材料的化学成分符合AMS 6533C    美国航空航天材料规范要求，其化学主要成分如表1所示。材料的主要热处理过程为盐浴炉淬火→冷处理→空气炉回火，其中冷处理可以加速残余奥氏体转换，减少材料淬火应力，提高材料基体硬度。

图1 AF1410材料试验尺寸

表1 AF1410材料化学成分

主要元素	C	Ni	Co	Mo	Cr	Si	Mn
含量%	0.13~0.17	9.5~10.5	13.5~14.5	0.9~1.1	1.8~2.2	≤0.10	≤0.10
主要元素	P	S	P+S	Ti	Al	N	O
含量%	≤0.008	≤0.005	≤0.010	≤0.015	≤0.015	≤0.0015	≤0.0015

3. 试验结果与分析
   1. 淬火温度对材料力学性能的影响

本节热处理工艺及力学性能如表3和图2所示，通过改变淬火温度研究力学性能，根据力学性能试验结果，860℃和880℃淬火力学性能结果接近，但淬火温度提升至900℃时，材料的力学性能轻微降低，抗拉强度从1660MPa降低至1635MPa，屈服强度从1550MPa降低至1500MPa。这是因为由于随着淬火温度的提高，奥氏体晶粒尺寸增大，冷却后转变的板条状马氏体组织的尺寸也会相应增大[2,3]，随着板条状马氏体组织的尺寸增大，其力学性能中的HRC、σb和σ0.2会相应降低。

表3 淬火温度变化工艺及力学性能

序号	淬火工艺	冷处理工艺	回火工艺	力学性能
				HRC	σb/Mpa	σ0.2/Mpa	δ5/%
1-1	860℃×10min，油冷（20~80℃）	-70℃×100 min，空冷	510℃×360 min，空冷	48.5/50.2/49	1668	1543	12.3
1-2	880℃×10min，油冷（20~80℃）	-70℃×100 min，空冷	510℃×360 min，空冷	49/49.7/50.5	1657	1552	14.6
1-3	900℃×10min，油冷（20~80℃）	-70℃×100 min，空冷	510℃×360 min，空冷	49.2/47.5/48	1635	1500	14.4

图2 淬火温度变化后材料力学性能

3.2回火时间对材料力学性能的影响

本节热处理工艺及力学性能如表4和图3所示，通过改变回火时间研究力学性能，根据力学性能试验结果，回火温度一定时，降低回火时间，材料的硬度、σb和σ0.2有显著提升，当回火工艺为510℃×240 min，空冷时，抗拉强度为1847MPa，屈服强度为1658MPa。力学性能显著提升主要是由于残余奥氏体分解成细小碳化物和析出强化共同作用，使强度逐渐升高。随着回火时间延长，残余奥氏体分解完成，析出强化效果降低，位错密度降低，位错强化效果减弱，组织中的板条结构削弱[4]，导致基体的σb和σ0.2降低。

表4 回火时间变化工艺及力学性能

序号	淬火工艺	冷处理工艺	回火工艺	力学性能
				HRC	σb/Mpa	σ0.2/Mpa	δ5/%
2-1	860℃×10min，油冷（20~80℃）	-70℃×100 min，空冷	510℃×360 min，空冷	48.5/50.2/49	1668	1543	12.3
2-2	860℃×10min，油冷（20~80℃）	-70℃×100 min，空冷	510℃×300 min，空冷	51/50.2/48.5	1776	1640	13.0
2-3	860℃×10min，油冷（20~80℃）	-70℃×100 min，空冷	510℃×240 min，空冷	49.8/51.8/50.6	1847	1658	12.8

图3 回火时间变化后材料力学性能

3.3回火温度对材料力学性能的影响

   本节热处理工艺及力学性能如表5和图4所示，通过改变回火温度研究力学性能，根据力学性能试验结果，回火时间一定时，降低回火温度，材料的硬度、σb有显著提升，而δ5有一定程度降低，当回火温度降低至450℃时，抗拉强度为1949MPa，屈服强度为1664MPa，延伸率为11.4%。试验结果说明450℃回火时，细小碳化物和析出强化共同作用已经提高了材料基体的抗拉强度，随着回火温度的升高，晶粒会逐渐粗大，延伸率逐渐升高。此外450~510℃回火会生成逆转变奥氏体，这种分布在边界的薄膜状奥氏体能有效降低马氏体板条的有效晶粒尺寸，细化断裂单元，并能松弛截面的应力集中，阻碍裂纹萌生或减慢裂纹扩展，一定程度上增加了材料的断裂韧度

[5,6]。

表5 回火温度变化工艺及力学性能

序号	淬火工艺	冷处理工艺	回火工艺	力学性能
				HRC	σb/Mpa	σ0.2/Mpa	δ5/%
3-1	860℃×10min，油冷（20~80℃）	-70℃×100 min，空冷	510℃×300 min，空冷	51/50.2/48.5	1776	1640	13.0
3-2	860℃×10min，油冷（20~80℃）	-70℃×100 min，空冷	480℃×300 min，空冷	52.5/51.9/50	1878	1653	11.8
3-3	860℃×10min，油冷（20~80℃）	-70℃×100 min，空冷	450℃×300 min，空冷	53.5 /53.7/53.6	1949	1664	11.4

图4 回火温度变化后材料力学性能

4. 结论

   根据试验结果，热处理过程中的淬火温度、回火温度和回火时间的改变都会影响超高强结构钢AF1410的力学性能，而通过改变回火温度和回火时间能显著提升材料的力学性能。

参考文献

[1]古田. 航空用新型超高强度钢AF1410[J]. 航空材料, 1983(01):46-51.

[2]路妍, 苏杰, 谢刚. 淬火温度对超高强度钢力学性能的影响[J]. 物理测试, 2009, 27(1):4.

[3]廉学魁, 厉勇, 刘宪民,等. 二次硬化超高强度钢AF1410奥氏体晶粒长大行为[J]. 特殊钢, 2010, 31(5):3.

[4]张帅, 任毅, 王爽,等. 回火工艺对高强度管线钢组织性能的影响[J]. 鞍钢技术, 2009(1):18-21.

[5]聂义宏, 惠卫军. 等温处理对中碳超高强度弹簧钢组织与力学性能的影响[J]. 钢铁,2008(4):88-89.

[6]杨霞, 白雪银. 回火温度对超高强度钢力学性能的影响[J]. 铸造技术, 2014, 35(1):3.