关键词：高温拉伸；变形抗力；富铜颗粒；粗糙度

中图分类号：TGl42．4    文献标识码：A    文章编号：0449—749X(2008)03—0068—04

    目前，主要通过添加易切削元素，例如硫、铅、硒以及碲来提高不锈钢的切削性能^[1，2]。然而，随着人们环保意识的增强，铅、硒、碲等有毒元素在工业生产中将逐渐被限制使用^[3]。硫虽然能够显著提高钢的切削性能^[4]，然而，硫在钢中形成的硫化物夹杂会降低钢的耐腐蚀性能，尤其是抗点蚀性能，因而不适合在不锈钢中使用^[5]。为了避免上述缺点，人们开始研究通过向钢中加入铜来提高钢的切削性能^[6]。铜的加入能够显著提高不锈钢的切削性能，并接近含硫易切削不锈钢的水平。然而铜的加入必将影响钢的其它性能。笔者通过高温拉伸试验、冲击试验以及抛光试验研究了铜和硫对4Crl3钢加工性能的影响。

1  试验材料及方法

1．1试样制备

    试验共采用3种材料，分别为4Crl3、4Crl3S和4 Crl3Cu钢，表1给出了材料的化学成分。3种材料经1020℃淬火，600℃回火5 h。

1．2  高温拉伸试验

    高温拉伸试验是在Gleeble－1500热模拟试验机上进行的，试样尺寸为Φ10mm×120mm。测试时试样室通人流量为1 L／min的氩气流，以10℃／S的速率升温到1200℃后，保温1 min。然后以5℃／s的速率降温到预定试验温度，保温1 min后以0．6S^-1的应变速率进行拉伸，测量断面收缩率和强度极限。

1．3  冲击试验

冲击试样尺寸为10mm×10mm×55mm。冲击试验是在JB30冲击试验机上进行的，试样开U型缺口。对冲击过程中的冲击功进行了测量。另外，利用JSM－6700F、型扫描电镜对冲击后的试样断口形貌进行了观察。

1．4  抛光试验

    试样尺寸为2 0 mm×20mm×10mm，硬度均为H RC36。试样先用砂纸进行研磨。研磨后的试样在自动抛光机上进行抛光。抛光参数为：时间为2 min；压力为180N；转速为300r／min。对抛光后的试样先进行初步的金相观察，然后在Nspm6 800型扫描探针原子力显微镜上观察分析。

2  试验结果

2．1  高温拉伸试验

    图1(a)给出了4Crl3、4Crl3 S和4Crl3Cu钢抗拉强度随温度的变化，可以看出铜、硫的加入并未明显改变4Crl3钢的变形抗力。图1(b)给出了3种材料的断面收缩率随温度的变化，可以看出，3种材料的断面收缩率的总体趋势是随着温度的升高而升高，并且4Crl3Cu的断面收缩率低于4Crl3，但高于4Crl3S，表明4 Crl3Cu钢的热塑性低于4Crl3钢，但高于4 Crl3S钢。

2．2  冲击试验

    表2给出了冲击试验结果，可以看出，硫的加人明显降低了钢的冲击韧性，尤其是横向冲击韧性。铜则与硫的作用相反，铜的加入显著提高了钢的冲击韧性。图2给出了冲击断口裂纹扩展区的SEM形貌，可以看出4Crl3钢和4Crl3Cu钢的冲击断口形貌相似，主要为小的韧窝，而4Crl3S钢存在明显的解理形貌。

    通过高分辨率透射电镜观察发现，富铜颗粒弥散分布于4Crl3Cu钢中，大小约为l0mm。图3给出了富铜颗粒的高分辨率透射电镜的照片和能谱图，图3(a)中白色亮点即为富铜颗粒，图3(b)为富铜颗粒的放大图，可以看出其大小约为10mm。通过能谱图可以确定这些富铜颗粒中铜的质量分数超过70％。富铜颗粒弥散分布于钢的基体中，位错与富铜颗粒交互作用时，由于富铜颗粒与基体间保持一定的共格关系，如图3(b)所示，富铜颗粒为弱障碍物，即析出相具有低硬度和较高的塑性，从而能够提高钢的强韧性^[7]。因此，铜的加入能够显著提高4Crl3钢的冲击性能。

2．3  抛光试验

    通过原子力显微镜测出3种材料的粗糙度，4Crl3、4Crl3Cu和4Crl3S钢的粗糙度Ra分别为：5．10、6．28、10．54 nm。可以看出，4Cr13Cu钢和4Crl3S钢的粗糙度大于4Crl3钢的粗糙度，尤其是4Crl3S钢，其粗糙度是4Crl3钢的2倍。4Crl3S钢粗糙度的增大，主要是由于表面分布了大量的硫化物，如图4所示。从图5的原子力扫描照片同样可以看出，4Crl3Cu钢和4Crl3S钢的表面起伏大于4Crl3钢的表面起伏，相对而言，4Crl3Cu钢的表面比4Crl3S钢的表面平整。因此，铜和硫的加入增大了4Crl3钢抛光表面的粗糙度，有损于4Crl 3钢的抛光性能，但4Cr13Cu．钢的抛光性能优于4Cr13S钢的抛光性能。

3  结论

    铜、硫的加入未明显改变4Cr13钢的变形抗力。4Crl3Cu钢的热塑性低于4Cr13钢，但高于4Cr13S钢。硫的加入明显降低了4Cr13钢的冲击韧性，尤其是横向冲击韧性。相反，铜的加入显著提高了4Cr13钢的冲击韧性。铜和硫的加入增大了4Cr13钢抛光表面的粗糙度，有损于4Cr13钢的抛光性能，但4Cr13Cu钢的抛光性能优于4Cr13S钢的抛光性能。