冷卷用60Si2CrVAT超高强度弹簧钢冷变形行为研究

摘要

60Si2CrVAT 超高强度弹簧钢是提速列车转向架专用弹簧钢，其承载能力强，耐冲击性好，具有良好的综合性能。为满足节能减排，绿色制造的需求，短流程，免热处理的低成本冷卷弹簧成形应运而生。但随着列车的提速，对弹簧强度的要求越来越高，开发超高强度的冷卷弹簧刻不容缓。但由于超高强度弹簧钢的冷成形性能差，在成形过程中会产生模具磨损严重、材料易于产生裂纹以及操作人员对冷卷成形过程中的应力-应变状态模糊不清等问题。这些问题严重制约了超高强度弹簧钢冷卷成形工艺的进一步发展。因此，系统研究60Si2CrVAT超高强度弹簧钢的冷变形行为，开发出适合其冷成形的组织调控热处理工艺，对于推动超高强度弹簧钢的绿色制造进程提供实验和理论基础具有重要的理论和现实意义。 在此背景下，本文从影响材料冷变形行为的强度、硬度、应变硬化指数、应变硬化速率及强塑积等因素出发，结合OM、 XRD、SEM、TEM、HRTEM、EBSD和原位拉伸以及有限元模拟等检测和分析手段，探索和比较了60Si2CrVAT超高强度弹簧钢在不同热处理制度下的组织和力学性能的变化规律及其与冷变形行为的关系；深入分析了该材料在不同组织状态下的冷变形机理。主要研究内容和结论为： （1）基于淬火-回火（Q&T）工艺，首次系统研究了具有马氏体中温回火组织的60Si2CrVAT超高强度弹簧钢的应变硬化机制。研究表明该组织状态的超高强度弹簧钢的应变硬化行为与马氏体基体的初始位错密度、形变过程中形成的几何必须位错的数量及其可持续增殖能力有关。其中，几何必须位错的增加受马氏体基体初始位错密度的影响，同时与第二相颗粒的形貌、数量、分布和体积分数等参数有很大关系；并且，几何必须位错在整个变形过程中能否持续增长是影响冷变形行为的关键因素。 （2）研究了冷卷用 60Si2CrVAT 超高强度弹簧钢复相组织新工艺（淬火-等温-淬火-回火工艺，即 Q-I-Q-T 工艺）的等温转变动力学，获得了相应的等温转变动力学曲线及残奥转变量与转变时间的关系曲线，为进一步深入研究该工艺下的冷变形行为奠定了实验和理论基础。 （3）基于 Q-I-Q-T 工艺，首次系统研究了具有马氏体/贝氏体/残留奥氏体复相组织的60Si2CrVAT超高强度弹簧钢的应变硬化机制。研究表明该组织状态下的应变硬化性能受基体组织（马氏体/贝氏体）性能和残留奥氏体的含碳量、形貌、体积分数及分布等因素的交互影响。其中，在均匀塑性变形初期，应变硬化能力主要由基体组织决定；在均匀塑性变形后期，则主要由残留奥氏体的碳含量、形貌，体积分数及分布决定。 （4）基于冷卷成形弹簧在卷制后的力学性能要求，参照实际冷卷成形变形过程，研究了两种组织状态下的超高强度弹簧钢经预变形以后的组织与力学性能的变化规律。研究表明具有更高残留奥氏体含量的复相组织在确保材料强度的同时，具有更加优异的冷变形能力。 （5）基于韧性断裂理论和应变硬化指数，利用Deform-3D有限元模拟软件分析了不同组织状态下的60Si2CrVAT超高强度弹簧钢在冷卷成形过程中的应力、应变等场量参数的变化特征，预测了其冷成形过程中的韧性断裂损伤概率，为进一步完善实验钢的热处理工艺提供了佐证。 综上所述，本文系统分析并研究了影响冷卷用60Si2CrVAT超高强度弹簧钢的冷变形行为的若干关键问题，获得了相应的冷变形机制，最终确定了更适合60Si2CrVAT超高强度弹簧钢冷卷成形的热处理工艺规范，为超高强度弹簧的绿色生产和制造提供了实验和理论基础。