35CrMnSi高強(qiáng)度鋼斷面收縮率偏低原因

王春燕, 介瑞華, 汪春梅, 章 發(fā), 張 勇

(蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司, 蕪湖 241002)

35CrMnSi低合金超高強(qiáng)度鋼具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的淬透性和焊接性，是一種力學(xué)性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)用鋼，一般用于制造高強(qiáng)度、高韌性的零件及構(gòu)件。二次淬火+低溫回火的熱處理工藝可使得該鋼的強(qiáng)度及韌性提高，且具有良好的綜合力學(xué)性能。

對(duì)某批經(jīng)過熱處理后的φ100 mm 35CrMnSi鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，拉伸試樣的斷面收縮率整體偏低，個(gè)別試樣的斷面收縮率甚至低于技術(shù)協(xié)議要求值，統(tǒng)計(jì)了40多個(gè)拉伸試樣，其中斷面收縮率偏低(富余量≤3%)的占79.5%。筆者對(duì)該35CrMnSi鋼進(jìn)行分析，查找斷面收縮率偏低的原因。試驗(yàn)材料為經(jīng)過二次淬火+低溫回火處理的 35CrMnSi熱軋圓鋼拉伸后試樣。第一次淬火溫度為950 ℃，保溫時(shí)間為45 min；第二次淬火溫度為890 ℃，保溫時(shí)間為45 min；最后在230 ℃時(shí)進(jìn)行低溫回火，保溫時(shí)間為120 min。筆者利用直讀光譜儀、氧氮?dú)浞治鰞x、金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等對(duì)拉伸試樣的成分、殘余氫、顯微組織、斷口形貌、夾雜物等進(jìn)行了觀察和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

對(duì)拉伸試樣斷口(見圖1)進(jìn)行觀察，右側(cè)框內(nèi)是斷面收縮率剛超過合格臨界線的拉伸試樣斷口，斷口中心的纖維區(qū)與左邊平臺(tái)稍有起伏，外側(cè)為剪切唇，沒有放射區(qū)。

圖1 拉伸試樣斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

從斷面收縮率偏低的30多個(gè)拉伸試樣的未變形部分取樣，采用ARL4460型直讀光譜檢測(cè)儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，試樣的化學(xué)成分均符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求。對(duì)拉斷后的5個(gè)拉伸試樣中的殘余氫含量進(jìn)行檢測(cè)，得到其質(zhì)量分?jǐn)?shù)均約為0.6×10-6。

表1 拉伸試樣的化學(xué)成分 %

1.3 金相檢驗(yàn)

將拉伸試樣未變形部分所取試樣進(jìn)行磨平、粗磨、細(xì)磨和拋光，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕處理，使用光學(xué)顯微鏡觀察試樣橫、縱截面的顯微組織。拉伸試樣縱截面顯微組織形貌如圖2所示，經(jīng)過兩次淬火+低溫回火后，材料的顯微組織為回火馬氏體，由圖2a)可知，顯微組織存在不均勻現(xiàn)象。顯微組織中有明顯的淺色條帶，且淺色區(qū)域含有大量的A類夾雜物以及少量的橘黃色夾雜物，經(jīng)能譜檢測(cè)，其成分主要是硫化錳和氮化鈦。

圖2 拉伸試樣縱截面顯微組織形貌

1.4 斷口分析

在拉伸試樣斷口側(cè)取樣，對(duì)多個(gè)試樣進(jìn)行超聲波清洗后，將其置于掃描電鏡下觀察，拉伸試樣斷口的微觀形貌如圖3所示。由圖3a)可以看出，拉伸試樣斷口纖維區(qū)較平坦，局部區(qū)域含有數(shù)量不等、顏色襯度與韌性斷裂基體不同的小區(qū)域。放大觀察纖維區(qū)，發(fā)現(xiàn)整體呈韌性斷裂形貌，韌窩內(nèi)無夾雜物，周圍是等軸小韌窩，但斷口上含有較多氣泡孔洞，放大可以看到氣泡壁變形形成的褶皺形貌特征。對(duì)顏色與基體不同的區(qū)域進(jìn)行放大觀察，發(fā)現(xiàn)近似圓形的“魚眼”缺陷形貌，直徑為幾十微米到幾百微米，其中心有一夾雜物或者氣孔，夾雜物的周圍為氫脆準(zhǔn)解理斷裂形貌，有的“魚眼”區(qū)域與周圍的韌性斷裂基體已經(jīng)分離。觀察沖擊試樣斷口，未發(fā)現(xiàn)類似的形貌，斷口呈韌性斷裂特征，但韌窩深度較淺且韌窩內(nèi)無夾雜物。對(duì)“魚眼”2缺陷區(qū)中的夾雜物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖 4所示，可見夾雜物中主要含鋁 、鈣 、硅、氧等元素，結(jié)合其形貌特征進(jìn)行綜合分析，得到該夾雜物是鋁的復(fù)合氧化物。

圖3 拉伸試樣斷口的微觀形貌

圖4 “魚眼”2缺陷區(qū)的能譜分析結(jié)果

2 綜合分析

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過二次淬火+低溫回火處理后，基體組織為回火馬氏體。縱截面的顯微組織有輕微的條狀偏析，條帶淺色區(qū)中有富集的硫化錳類夾雜物以及氮化鈦類夾雜物，說明材料存在一定程度的顯微偏析、夾雜物及沉淀相等缺陷。

在掃描電鏡下觀察到拉伸試樣斷口纖維區(qū)上含有較多氣泡、韌窩以及多處近似圓形的“魚眼”型缺陷，其特征為中心有一暗色的核心，該核心是夾雜物或者氣孔，周圍是氫脆準(zhǔn)解理特征。在沖擊試樣斷口上未觀察到此類形貌，且在試樣上也沒有發(fā)現(xiàn)發(fā)紋，這與“魚眼”氫損傷的特征一致[1-2]。拉伸試樣的“魚眼”缺陷是一種可逆氫脆白點(diǎn)，有的資料中也稱為拉伸白點(diǎn)[3]，但由于“魚眼”尺寸較小，因此在拉伸斷口上肉眼并未觀察到小亮點(diǎn)或白斑。“魚眼”產(chǎn)生的主要原因是鋼中含有一定數(shù)量的氫，但所含的氫還不足以造成材料內(nèi)部開裂。一般鋼中的氫含量達(dá)到5×106以上就會(huì)產(chǎn)生氫致裂紋，但對(duì)于高強(qiáng)度的鋼而言，即使氫含量低于1×10-6，也會(huì)由于應(yīng)力的交互作用發(fā)生氫脆[4]。

試樣在拉伸過程中，鋼中夾雜物、沉淀相、內(nèi)部微小的孔洞、元素偏析形成的基體界面成為氫聚集的場(chǎng)所。在試樣緩慢受力時(shí)，材料顯微組織和缺陷的差異會(huì)引起不均勻形變，并導(dǎo)致夾雜物等缺陷周圍的位錯(cuò)塞積。隨著形變量的增大，微觀表現(xiàn)為位錯(cuò)滑移，當(dāng)攜帶氫運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)遇到氫“陷阱”時(shí)發(fā)生交互作用，在該微區(qū)形成高密度位錯(cuò)和氫富集的狀態(tài)。在較低的應(yīng)力作用下，氫聚集區(qū)的脆化區(qū)形核，形成微裂紋并快速擴(kuò)展，形成了與正應(yīng)力方向垂直的圓點(diǎn)缺陷區(qū)，即“魚眼”缺陷。如此反復(fù)，便在斷口上形成多個(gè)大小不一的“魚眼”缺陷，造成鋼材的塑性指標(biāo)嚴(yán)重降低[5-6]。

3 結(jié)論及建議

35CrMnSi鋼拉伸試樣中存在一定量的氫，在拉伸應(yīng)力的共同作用下，缺陷區(qū)產(chǎn)生了“魚眼”缺陷，該缺陷是導(dǎo)致拉伸試樣斷面收縮率偏低的主要原因。

建議改進(jìn)煉鋼的冶煉工藝，減少鋼坯內(nèi)部夾雜物和氣孔數(shù)量，降低成分偏析程度等，以進(jìn)一步提高鋼的內(nèi)在質(zhì)量；在陰雨天氣時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注原料的質(zhì)量，必要時(shí)應(yīng)對(duì)原料進(jìn)行充分烘烤，以降低鋼中的氫含量；對(duì)試樣進(jìn)行去氫處理、自然時(shí)效處理等可降低氫含量，以減少或避免魚眼型白點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的塑性和韌性。