50SiCrMo超高強度鋼板裂紋分析*

徐鴻昊，朱 斌，王春奕，張全新

重慶鋼鐵研究所有限公司，重慶 400084

50SiCrMo是一種超高強度馬氏體鋼，強度可超過2000MPa，由于其高強度和低韌性的特點，對該材料采用常規的機械加工方式已變得十分困難[1]。在某公司生產的50SiCrMo超高強度鋼板成型工藝中采用激光切割加工，切割后把鋼板于室溫下放置一定時間，在其中心部位出現沿軋制方向延伸的分層裂紋。鋼板的生產工藝為冶煉→澆注成坯→熱軋板卷→退火→開卷→淬回火→激光切割成型。針對切割開裂問題，對鋼板進行取樣檢驗，結合生產工藝分析加工方法對材料組織的影響和裂紋形成原因，針對形成原因制定適宜的加工成型工藝和過程控制要點。

1 理化檢測

1.1 材質和性能檢測

在分層裂紋部位切取試樣進行化學成分分析，并在開裂鋼板附近的無裂紋擴展部分切取完好試樣進行力學性能檢測。檢測結果如表1、表2所示。從檢測結果可知，鋼板化學成分、力學性能均符合標準要求。

表1 鋼板化學成分 單位：%

表2 鋼板力學性能

1.2 金相組織和裂紋觀察

對鋼板金相樣品進行腐蝕后觀察基體組織，鋼板基體組織為回火馬氏體和少量殘余奧氏體組織，組織未見明顯異常，但鋼板中存在帶狀組織偏析現象，如圖1所示。從開裂鋼板的宏觀低倍觀察得知，鋼板沿軋制方向呈現分層式開裂，裂紋細小筆直，呈現典型的應力裂紋特征，裂紋內部開裂面未發現氧化皮，裂紋附近未見非金屬夾雜物聚集和大顆粒夾雜物，夾雜物級別為A0.5、B0.5、C0.5、D1.0，符合標準要求。對裂紋試樣進行金相組織高倍觀察，裂紋邊緣無氧化和脫碳，裂紋附近組織與未開裂鋼板基體組織無明顯區別，但裂紋附近的組織也存在較明顯的帶狀偏析現象，如圖2所示。同時，在對裂紋試樣的激光切割表面的組織進行觀察時發現，切割表層存在大量殘余奧氏體，試樣近表層的熱影響區為針狀馬氏體和殘余奧氏體組織，其內部的殘奧含量與基體相比有明顯增多，如圖3所示。激光切割表面粗糙度較高，表面及近表組織中存在較多的微缺陷，如圖4所示。

圖1 基體組織及帶狀偏析

圖2 裂紋附近組織及激光切割表面

圖3 熱影響區的組織

圖4 切割表層的微缺陷

2 50SiCrMo超高強度鋼板裂紋分析

原材料質量、熱加工、熱處理等都是決定鋼板質量的重要因素，經檢測分析得知，開裂的鋼板在其裂紋附近未見非金屬夾雜物聚集和大顆粒夾雜物分布，開裂鋼板的夾雜物級別、化學成分、力學性能均符合標準要求，鋼板材質未見異常，因此裂紋的形成與鋼板材質和性能沒有直接關系。

50SiCrMo是屬于超高強度鋼，強度超過2000MPa，常規機加方式難以對鋼板進行有效加工，開裂的超高強度鋼板加工方式是激光切割，通過瞬間產生足以使鋼板氣化的高溫對鋼板進行切割，切割溫度遠高于材料奧氏體化溫度，在切割邊緣形成嚴重的過熱和過燒組織，在其近表產生熱影響區，切割部位附近2～3mm區域內的組織發生局部相變，同時在切割后表面形成較多微缺陷。鋼板在切割時的高溫下形成穩定的奧氏體，奧氏體在冷卻時不能完全轉變為馬氏體，部分殘留在鋼板中，切割邊緣熱影響區組織內部可見大量殘奧存在于馬氏體間隙中。殘奧硬度較低，與馬氏體相差較大，造成組織和硬度不均，形成組織應力，加上切割時表面形成的微缺陷，使得鋼板更易在該處形成應力集中，若未能及時回火，這種殘余應力將無法消除而保留在鋼板切割表面[2]。

鋼板厚度中心部位存在較明顯的帶狀偏析，這將加重鋼板的開裂傾向。在鋼的冶煉過程中，鋼錠或鋼坯的心部會有相對較為嚴重的成分和組織偏析，這種偏析通過熱處理無法消除，50SiCrMo的C、Si含量較高，而Si的偏聚會加重C的偏聚，造成鋼板成分和組織的偏析，因此鋼板心部的帶狀偏析較其他部位更為嚴重，這將加劇鋼板心部的開裂趨勢[3]。軋制成材的鋼板中心部位是最為薄弱的部分，因此通常鋼板裂紋都在鋼板心部形成并沿縱向擴展。鋼板在激光切割造成的熱應力和組織應力作用下，其最為薄弱的中心部位切割表面和熱影響區形成應力集中，當這種應力集中超過材料的強度極限時，心部會形成裂紋源并沿縱向逐漸擴展，最終造成鋼板分層開裂。

3 改進措施

50SiCrMo鋼板切割加工開裂將對后續生產造成嚴重影響，應針對鋼板開裂原因制訂糾正預防措施，以避免問題再次發生。

（1）在激光切割后及時對鋼板進行低溫回火處理，以消除因激光高溫切割產生的熱應力和組織應力，避免在切割部位產生應力集中。50SiCrMo鋼板含有較高的Si和Mo，回火穩定性較高，對于此鋼種可適當提高回火溫度，在充分消除應力的同時，可以使殘奧充分轉化為馬氏體，保證鋼板的使用性能。

（2）帶狀偏析的根本原因是化學成分偏聚而導致珠光體和鐵素體的分布不均，應提高鋼的冶煉質量，減少成分和組織的偏析能有效抑制鋼板開裂的傾向。

4 結論

（1）50SiCrMo鋼板采用激光切割產生較大的熱應力和組織應力而在缺陷處形成應力集中，這是鋼板開裂的主要原因。

（2）鋼板中心部位的帶狀偏析，促進和加重了鋼板分層開裂的傾向。

（3）激光切割后及時進行低溫回火能有效避免鋼板心部分層開裂現象發生，且不影響鋼板使用性能。