50B 钢低温性能试验

本文通过理化分析、生产应用、大型寿命考核，对50B 钢的低温性能进行了试验对比，结果发现在未淬透情况下与同类合金钢相比，50B 韧性较差。这为以后的应用提供了重要依据。

    50B 钢及系列，是含有微量硼元素( wB= 0. 0005% ～0. 0035 %) 的优质碳素结构钢，是我国20 世纪50 年代自行研制、开发，用以代替50AZ，以节约镍、铬等战备物资的钢种。钢中加入硼主要是提高钢的淬透性。经过几十年的应用，虽已积累了不少经验，如钢的硼脆、钢的焊接性能较差、钢的过热倾向以及钢易淬裂等不足，但对钢的低温脆性却认识不足，因此在应用上曾走了不少弯路。

    例如，我公司在研制一种新型高速机械时，按照过去的习惯，将50B 作为了首选材料，结果在一次设计性能考核时，有2 件产品连续在低温- 50 ℃试验时，发生了脆性破断( 见图1)，从而延误了科研的进程，造成了不应有的经济损失。通过试验后，选用了40Cr 钢，结果顺利过关。

    该零件原选用50B，毛坯尺寸为􊚼70 mm ×600 mm,经粗加工成形为􊚼69 mm×23mm×600mm ( 钢棒中心钻孔) 的半成品，经调质处理后，要求硬度为28 ～33HRC，再精加工为成品。

    1. 分析试验

    ( 1) 在破断部位取样进行金相和断口分析，发现图2破断断口为结晶状脆性断口，可见明显的白色晶粒。金相组织检查发现有明显的网状铁素体、片状珠光体及少量球状索氏体型组织(见图2)，属典型的不完全淬火组织，没有达到调质处理的组织要求，这显然是脆断的主要原因。

    ( 2) 检查破断体部位硬度为22 ～23HRC，已不符合设计要求，这也是产生脆断的主要原因之一。

    ( 3) 在破断部位取样进行化学分析，结果均合格( 见表1)，说明破断也与化学成分无关。

    ( 4) 考虑到此次调质处理的加热工序是在箱式电炉中加热，可能由于炉膛过长，加热不均，造成两端温差，未达到零件整体全部奥氏体化，造成了不完全淬火。为此我们又在破断件的另一端的完好部位，取样做金相组织检查和硬度检查，也同样出现上述不完全淬火。

    2. 验证试验

    为验证零件壁厚对淬透性的影响，我们又在原破断件的未断裂的厚断面取样，按正常的调质工艺( 870 ℃淬油，540 ～570 ℃回火) 进行重淬，再进行硬度、金相组织、断口和冲击试验，结果均符合设计标准要求。硬度为28 ～30HRC，金相组织为回火索氏体，断口为韧性的纤维状断口，冲击吸收功AKU = 90J ( 规定AKU ≥49J) ( 见图3) ，而破断件不完全淬火状态的冲击吸收功仅为9. 8J ，断口也是脆性颗粒状( 见图4) 。

    3. 分析和结论

    50B 钢中的硼元素相具有促使产生针状铁素体的不利作用，而且不像其他合金元素那样有固溶强化铁素体和降低珠光体的相变温度，从而使之细化和强化。因此选用淬透性相同的含硼钢与无硼合金钢所制零件中，未淬透部分的性能，特别是韧性，总是含硼的钢最差，所以硼钢一般不宜在未淬透的情况下应用。本次产生的低温脆断就是一例。该件由于截面太厚，体积较大，调质处理用全系统损耗用油作冷却剂，由于冷却速度不够,零件未淬透，虽然在调质后做了常规的硬度检查，但这只是代表了表面一层的硬度，经精加工后，因未规定做硬度检查，所以成品硬度是否合格，也就无法保证。故将硬度不合格的成品，流至最后的服役试验，最终因经受不起- 50 ℃的低温考核而破断。从上述的理化分析和力学性能试验也证明了这一点。

    为了进一步论证上述原因和50B 钢的不足，我们又做了用40Cr 代替50B 钢的调质试验和模拟生产，以及- 50 ℃的服役考核，均达到了规定要求，而且冲击吸收功很高，已达140 ～160J ( 零件截面与原50B 相同情况下) 。这是因为在钢的力学性能方面，铬主要是通过提高钢的淬透性和回火稳定性间接地起作用。由于铬的加入，使钢的淬透性提高，能使得在较大截面上，也能获得均匀的淬火组织; 而回火稳定性的提高，又可在不降低强度的情况下，采用较高的回火温度，以提高钢的塑性和韧性。40Cr 即使在不完全淬火状态下，冲击韧度也高于50B，因为铬能使相图中的E、S 点含碳量降低,故在室温下的平衡组织虽仍是亚共析组织，但与含相同碳量的碳钢相比，其珠光体量较多，故强度、硬度也较高。

    铬还能使“S” 曲线右移，且随含铬量的增加，珠光体转变部分向高温区移动，贝氏体转变部分向低温区移动，结果使两部分分离( 请参看40Cr 的“S” 曲线图，本文从略) 。直径在25 ～30mm 以下的工件，一般在油中也能淬透，截面在50mm 以下的油淬后也无先共析出铁素体，这对未淬透钢来说冲击韧度也不会急剧恶化。这对提高材料的韧性无疑是有利的，所以选用40Cr在与50B 同样条件下( 厚截面) 的调质处理结果相比，40Cr 要大大优于50B。

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试验   性能   50B   硬度   组织   40Cr   低温   结果   提高   冲击   检查   试验   性能   50B   硬度   组织   40Cr   低温   结果   提高   冲击   检查