軸承鋼作為非常關鍵的基礎配件，廣泛應用于農業、工業、航天、海洋等領域。GCr15軸承鋼是典型的高碳鉻軸承鋼，因其工作環境較為惡劣，會受到各種拉力、壓力、摩擦力以及腐蝕的相互作用，所以不僅要求該鋼具有較高的強度、硬度，同時還要求其具有良好的疲勞性能、可加工性能、耐腐蝕性能等，以滿足高品質GCr15軸承鋼的生產需求。 

高溫熱塑性和抗拉強度是表征材料高溫力學性能的重要指標，研究[1-7]表明，材料的高溫力學性能與連鑄坯裂紋的產生息息相關。目前，對GCr15軸承鋼品質提升的研究主要集中在成分及均勻性控制、碳化物析出與分布，以及非金屬夾雜物控制等方面[8-10]，對高溫熱塑性的相關研究較少。筆者采用熱模擬試驗機對GCr15軸承鋼進行不同溫度下的高溫拉伸試驗，分析了該鋼的熱塑性曲線，觀察了其斷口形貌，結果可為實際生產中確定GCr15軸承鋼合理的連鑄工藝提供理論支撐。 

1.   試驗材料及方法

試驗材料采用某單位生產的GCr15軸承鋼，其主要化學成分如表1所示。將試驗材料加工成規格為10 mm×121.5 mm（直徑×長度）的拉伸試樣，試樣兩端須加工出長度為15 mm的螺紋，且保證試樣表面光滑、無油污等，避免影響其導電性能。熱模擬試驗機以10 ℃/s的升溫速率將試樣溫度升高至1 280 ℃，保溫5 min，再以3 ℃/s的降溫速率將試樣溫度降低至600~1 250 ℃，每50 ℃一個間隔，在拉伸溫度保持30 s后，以1×10−3 s−1的拉伸速率對試樣進行拉伸，試樣斷裂后，快速水冷以保留斷口組織，具體工藝過程如圖1所示。用線切割方法將拉斷的兩截試樣進行再次加工，采用掃描電鏡（SEM）觀察斷口的形貌，采用光學顯微鏡觀察斷口的顯微組織。 

圖  1  GCr15軸承鋼的高溫拉伸試驗工藝過程示意

2.   試驗結果與分析

2.1   試驗鋼的高溫力學性能曲線

抗拉強度和熱塑性是表征材料高溫力學性能的重要指標，其中，斷面收縮率Z按式（1）進行計算。研究[11-18]認為，將Z=60%作為劃分高塑性區和低塑性區的指標，Z大于60%時，說明材料越容易發生塑性變形。當位錯密度增大時，變形過程中出現應力集中，則容易發生斷裂；當Z小于60%時，說明材料不容易發生塑性變形，則不容易產生裂紋。所以，研究材料鑄坯的高溫力學性能對后續連鑄生產工藝的制定意義重大。 

式中：D0為試樣的原始直徑；D1為試樣拉斷后的直徑。 

圖2為試驗鋼抗拉強度和斷面收縮率隨溫度的變化曲線，從圖2可以看出：隨著溫度的不斷升高，試驗鋼的抗拉強度不斷降低，600 ℃下試驗鋼的抗拉強度最高，為481 MPa，直到700 ℃時，抗拉強度下降到247 MPa，下降幅度較大；當溫度升高到750~1 250 ℃時，試驗鋼的抗拉強度下降得較為緩慢，直到溫度上升為1 250 ℃時，試驗鋼的抗拉強度降到最低；在整個試驗溫度范圍內，試驗鋼的斷面收縮率先是不斷增大然后再減小，600~650 ℃時試驗鋼的斷面收縮率僅為7%左右，是整個測試溫度范圍內的最低值；隨著溫度升高到850 ℃，斷面收縮率雖有一定的增大，最大到52%左右，但仍然低于60%。可見，600~850 ℃為試驗鋼的脆性區間；當溫度升高到900 ℃時，試驗鋼的斷面收縮率急劇增大到86.82%，到950 ℃達到最大值87.32%，隨后逐漸減小，但在溫度為900~1 250 ℃時，試驗鋼的斷面收縮率均大于60%，說明該溫度范圍內試驗鋼的塑性較好，為試驗鋼的高塑性區。綜上所述，試驗鋼在整個溫度范圍內僅存在第Ⅲ脆性區，600~850 ℃為試驗鋼的脆性區，斷面收縮率均小于60%，該溫度范圍內材料的塑性較差，鑄坯易產生裂紋，不宜進行加工，在實際生產中應避免在該溫度區間進行矯直加工。900~1 250 ℃為試驗鋼的高塑性區，斷面收縮率均大于60%，該溫度范圍材料的塑性較好，不易產生裂紋，尤其是900~950 ℃時宜進行鑄坯矯直加工等。 

圖  2  試驗鋼抗拉強度和斷面收縮率與溫度的關系

2.2   斷口形貌

圖3為在不同溫度下的試驗鋼斷口低倍SEM形貌。由圖3可知：不同溫度下，斷口形貌相差較大，隨著溫度的升高，斷口由圓臺狀逐漸向圓錐狀轉變；塑性差的斷口形貌直徑較大，斷面較平整，幾乎沒有發生頸縮現象，韌窩較少甚至不存在，斷口呈現明顯脆性斷裂特征，如圖3（a）、3（b）所示；塑性好的斷口形貌直徑較小，發生明顯的頸縮，斷口有明顯的韌窩，呈韌性斷裂特征，如圖3（c）、3（d）所示。 

圖  3  不同溫度下試驗鋼斷口低倍SEM形貌

圖4為在不同溫度下的試驗鋼斷口高倍SEM形貌。由圖4可知：600 ℃和700 ℃溫度下試樣呈冰糖狀斷口形貌，斷口附近幾乎未發生塑性變形，呈沿晶脆性斷裂特征，形成這種沿晶脆性斷裂現象的原因是奧氏體向鐵素體轉變，二者晶界強度不同，在變形時造成應力集中，導致試驗鋼發生脆性斷裂；850 ℃時試樣斷口有韌窩出現[見圖4（c）]，韌窩數量較少，深度較淺，說明該溫度下塑性有一定提高；隨著溫度升高到950~1 150 ℃，斷口形貌中韌窩數量增加，孔洞變大且變深[見圖4（e）~4（f）]。韌窩越大、越深，斷面收縮率也會越大，此時材料的塑性也較好，呈典型的穿晶韌性斷裂特征，斷裂的原因是高溫下試樣發生了動態再結晶，該行為給予晶界足夠的驅動力，隨著晶界移動，變形不斷發生，這些孔洞逐漸聚合、長大，最后導致晶界斷裂。尤其是950 ℃下，韌窩大而深，結合斷面收縮率可發現，950 ℃下斷面收縮率最大，說明試樣在該溫度條件下能夠獲得良好的高溫熱塑性。 

圖  4  不同溫度下試驗鋼斷口高倍SEM形貌

2.3   斷口附近顯微組織

圖5為不同溫度下試驗鋼斷口的顯微組織形貌。由圖5可知：當溫度為600 ℃時，斷口處的顯微組織為鐵素體和珠光體團簇，晶粒尺寸較大，晶界上有明顯裂紋，裂紋大大降低了試驗鋼的塑性，裂紋擴展到一定尺寸便導致試驗鋼脆斷；當溫度為850 ℃時，斷口顯微組織為馬氏體，組織中仍然存在裂紋，結合塑性曲線分析，這兩個溫度均處于脆性溫度區間，試驗鋼的塑性較差，不利于進行材料加工；在溫度為950 ℃和1 150 ℃時，試樣斷口附近的顯微組織均為馬氏體，且無裂紋存在，斷面收縮率達70%以上，結合斷口形貌，說明該溫度范圍下材料呈典型的韌性斷裂特征，說明該條件下適合對試驗鋼進行熱加工。 

圖  5  不同溫度下試驗鋼斷口的顯微組織形貌

3.   結論

（1）在600~1 250 ℃溫度下，試驗鋼脆性區間為600~850 ℃，塑性區間為900~1 250 ℃；脆性區試樣斷裂是由于奧氏體向鐵素體轉變，在拉伸變形過程中，二者晶界強度不同造成應力集中，導致試樣斷裂。 

（2）950 ℃時斷面收縮率最大，斷口韌窩深而大，塑性最好。 

（3）實際生產中，應選擇900~1 250 ℃塑性區間內的溫度對材料進行矯直加工，以減少裂紋，為制定合理的生產工藝提供理論參考。

文章來源——材料與測試網