SAE 1141 含Nb 控冷连杆钢评价

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1、SAE1141含Nb控冷连杆钢评价NamSChang,JamesHHoffmannChryslerMotorsCorp.摘要含Nb的SAE1141钢质连杆的材料性能评估是和同种材料的调质钢连杆对比得出的。控冷连杆的显微结构主要是贝氏体，而调质连杆主要是回火马氏体。对比拉伸性能，控冷连杆的屈服强度和延伸性比较低。与调质钢的均匀硬度相比，控冷钢由于截面厚度引起的硬度变化很小。由于屈服强度较低，控冷连杆的高周疲劳强度低。两种连杆的疲劳性能都满足了连杆设计评估标准。现在Chrysler发动机公司用于V-6和V-8引擎的一种连杆是用调质SAE1141含Nb钢生产的。这种微合金钢热锻后在空气中

2、控冷，析出强化后的锻件可以达到和调质钢一样的拉伸和疲劳性强度。因此，为了减少生产成本，便有了开发控冷微合金钢连杆的项目。成本的降(1)低主要靠取消了调质处理。另外在切削过程也有可能节省成本。(2-7)V微合金化中碳钢连杆的应用已经进行了大量的研究。然而几乎没有可以用于Nb微合金化中碳钢的应用的信息，因为Nb被认为在中碳钢中的析出强化效果不如V。这篇文章对比当前的调质钢连杆，对Nb微合金化控冷连杆进行了评估。试验过程：材料制备：本试验所用材料的标准成分和实际成分如表1所示。钢棒是在Stelco公司的McMaster车间生产的。表1实验钢的化学成分（wt%）样品加工：连杆在Stelco

3、紧固件与锻件公司的GananoqueOntario车间由直径1又11/32英寸的圆棒锻成。圆棒在空气炉加热到2350℉保温15min，在2325-2350℉开锻，在2000-2050℉精整。连杆锻件在传送系统强制风冷以大约4.4℉/s的冷却速度冷却到950-1000℉，随后空冷到室温以达到其控冷(此后以CC代替)条件的硬度(21-28HRC)。常规方法在精整后锻件在空气中自然冷却到室温，再加热到1475-1550℉调质处理(此后以QT代替)达到上述硬度范围。测试：观察了连杆活塞销端、工字梁中段和曲轴端的显微结构。洛氏硬度C标以大约0.125英寸步长遍历连杆每段来检验硬度变化。在连杆

4、工字梁上取ASTM标准圆柱形式样测量拉伸性能。加工好的连杆和连杆帽装配成零件进行疲劳测试。控制载荷的疲劳测试用40Hz的正弦34波形载荷进行完全反向的轴向载荷（R=-1）加载。实际加载在9×10lbs到1.8×10lbs。结果及讨论显微结构：CC和QT处理连杆的典型纤维组织如图1所示。CC连杆的纤维组织照片可以观察到团聚的铁素体和渗碳体及原奥氏体晶界上细小的珠光体。这是一个控冷过程典型的贝氏体转变。原始奥氏体晶粒尺寸测量为ASTMNo4-5。这个相对较大的晶粒是热锻温度高，(8)不能有效地阻止奥氏体晶粒再结晶引起的。观察的三个部分的纤维组织没有显著的区别，由于较厚的地方冷却速度低，

5、如图1a和b所示，该区域的珠光体量略微增多。QT连杆的显微结构如图3c所示，包括如调质钢期望的分布贯穿全连杆的回火马氏体。测得晶粒尺寸为ASTMNo8-9。图1控冷连杆的微观结构（a）薄区（b）厚区（c）QT连杆拉伸性能：CC和QT连杆的拉伸性能在表II给出。对比拉伸强度，CC连杆的屈服强度较低，由于其大尺寸晶粒和贝氏体组织。CC连杆的延伸率尤其是断面收缩率也较低。表II拉伸性能硬度：CC连杆活塞销端的表面硬度测得在24-27HRC，和QT连杆类似。图2给出了CC和QT连杆这3部分的硬度变化。QT连杆3个部分的硬度比较均匀，并且在任意部分其硬度都高于CC连杆。注意到：CC连杆的表层

6、硬度一般都高于中心硬度，这是由于如图2所示的薄区域冷速快引起的。图2曲柄端，工字梁，定位销端的硬度分布S：表面C：中心疲劳性能：两种连杆的载荷-疲劳周期的关系如图3所示。与QT连杆相比，CC连杆在高周疲劳强度方面略低。这可能是由于CC连杆较低的屈服强度和不同的显微组织引起的。图3载荷-疲劳寿命曲线（a）控冷（b）调质6然而如图4所示，在周期为2×10处利用韦伯法分析载荷分布，两种材料没表现出明显4的不同。例如：75%可靠度和90%置信度(B25C90)的载荷，CC连杆是1.05×10lbs，而QT4连杆为1.11×10lbs。从零件整体的疲劳强度要求看，CC连杆的疲劳强度不亚于QT

7、连杆。从发动机应用的安全因素方面发面考虑，CC连杆和QT连杆也无太大区别。在目前应用上，安全因素定义为，B25C90疲劳载荷的比率，以规定的最低硬度(21HRC)和最大疲劳周期修正。6图4周期2×10处韦伯法分析法载荷分布图，置信度90%（a）控冷（b）调质结论1.与QT连杆相比，CC连杆的拉伸强度在屈服和延展性方面都较低。2.QT连杆比CC连杆硬度高。QT连杆硬度分布均匀而CC连杆薄区硬度高于厚区。3.CC连杆高周状态下的疲劳强度低于QT连杆。4.CC连杆满足目前引