貝氏體鋼火焰切割裂紋原因分析

李國輝，顧春新，劉洪武，姜辰晨，趙春鋼，耿振龍

中鐵山橋集團有限公司 河北秦皇島 066200

1 序言

因低碳貝氏體鋼具有較高的性價比，故其在國內外具有十分廣闊的應用前景。低碳貝氏體鋼在使用狀態下基體組織為貝氏體，化學成分組成為低碳、低合金元素，主要合金元素有Mn、Ni、Mo、Cr及V等。低合金鋼經奧氏體化處理后，在一定溫度下保溫一定時間，得到針狀鐵素體和一定界面上沉淀碳化物的共析組織稱為貝氏體[1]。這類鋼具有高韌性、高強度（530～1500MPa）等性能，抗拉強度隨貝氏體轉變溫度的降低而提高，工藝性能（成形性和焊接性）較好。低碳貝氏體鋼廣泛用于船舶、鐵路道岔、航空、礦山、鍋爐、石油化工高壓管道以及壓力容器等領域[2]。

某單位的貝氏體鋼鍛件（以下簡稱工件）進行火焰切割下料、銑床加工時，在火焰切割面發現大量裂紋。為探究裂紋產生的原由，分別對工件基體及近火焰切割面進行取樣，通過硬度、化學成分、低倍組織、斷口形貌、金相組織及非金屬夾雜物等檢測手段，來分析討論裂紋產生的原因，提出合理化建議，避免此類事故再次發生。

2 試驗方法

2.1 取樣

貝氏體工件厚195mm，火焰切割下料后，對切面進行滲透檢測發現大量裂紋，裂紋主要分布在板厚1/2區域，為查明裂紋產生的原因，切取L1試樣進一步分析，取樣位置如圖1所示。

圖1 取樣位置

2.2 試驗設備

（1）化學成分分析 試驗中采用ARL-4460直讀光譜儀分別對工件火焰切割面及基體化學成分進行檢測。

（2）硬度檢測 采用HVS-50T數顯維氏硬度計進行火焰切割面區域硬度測試。

（3）金相檢測 采用OLYMPUS-GX51金相顯微鏡對其進行非金屬夾雜物及顯微組織觀察。

（4）掃描電鏡分析 采用蔡司EVO18掃描電子顯微鏡對試樣開裂面進行掃描觀察。

3 試驗結果

3.1 化學成分分析

在樣品L1上切取小試塊進行成分分析，結果見表1。由表1可知，工件基體由表及里化學成分均勻，未見異常，為低碳低合金結構鋼。

表1 化學成分（質量分數） （%）

3.2 硬度檢測

在樣品L1近火焰切割面進行硬度檢測，結果見表2。距火焰切割面4.0mm范圍內維氏硬度為435～541HV10，距火焰切割面4.0mm范圍外維氏硬度為367～395HV10，靠近火焰切割面的硬度高，向基體側硬度有下降趨勢。

表2 硬度試驗結果

3.3 低倍檢驗

對L1試樣進行冷酸浸低倍檢驗，結果顯示為一般疏松，在橫截面近火焰切割面存在寬約4mm的熱影響層，并在右側發現3條垂直火焰切割面的裂紋，如圖2所示。

圖2 低倍檢驗照片

3.4 金相檢測

對試樣進行線切割處理，將圖2中右側裂紋由上至下分別切取A1、A2、A3金相試樣，并對其進行非金屬夾雜物及金相組織觀察。如圖3所示，上裂紋A1中右端距火焰切割面5.0mm，長20.0mm；中裂紋A2自表面向基體延伸44.8mm；下裂紋A3右端距火焰切割面3.0mm，長1.0mm。A1、A2、A3非金屬夾雜物等級均為D0.5。

圖3 非金屬夾雜物（未浸蝕）

將金相試樣浸蝕后進行組織觀察，距火焰切割面4～5mm寬的熱影響區內重結晶組織為馬氏體（見圖4a），母材與熱影響區重疊區為部分相變區，組織為馬氏體+貝氏體（見圖4b），基體組織為貝氏體（見圖4c）。各組織圖片中裂紋清晰可見。

圖4 金相試樣浸蝕后部分組織圖片

3.5 掃描電鏡分析

將金相試樣A2沿裂紋打開、制樣，置于掃描電鏡中觀察，在熱影響區內存在大量沿晶界分布的微裂紋（見圖5a），顯示沿晶斷裂+少量穿晶斷裂的脆性斷口特征（見圖5b），基體斷口形貌以解理斷裂為主（見圖5c）。

圖5 A2斷口裂紋微觀形貌

4 分析與討論

通過以上數據得知，工件由表及里化學成分比較均勻，為低碳低合金結構鋼；工件低倍金相檢驗結果為一般疏松，存在數條裂紋，非金屬夾雜物等級為D0.5，鋼材較為純凈；工件由表及里存在硬度梯度；距火焰切割面存在4～5mm寬熱影響層，層內組織為馬氏體，基體組織為貝氏體；裂紋大部分在熱影響區與母材重疊區附近，呈連續或不連續狀向里、向外延伸。

工件采用火焰切割前未進行有效預熱，切割面熔融溫度（＞1520℃）遠超奧氏體化溫度，切割面附近出現不同程度的奧氏體化，距切割面越近，奧氏體晶粒長大程度越嚴重[3]。切割后未采取保溫措施，室溫較低、厚板冷卻速度快，組織形成的過冷度較大，距切割面4～5mm內產生粗大馬氏體，其硬度高達541HV10。部分相變區形成了與基體貝氏體不同的馬氏體+貝氏體，其維氏硬度＞384HV。馬氏體具備體心立方晶格，是C在α鐵素體中過飽和的間隙固溶體，原子排列要比奧氏體面心立方晶格稀疏，即相同質量情況下，奧氏體向馬氏體轉變是體積長大的過程。這一現象會對內部金屬產生一定的壓應力，馬氏體相變和組織的不均勻性產生了較大的相變應力和組織應力，該應力超過了基體極限強度，產生脆性裂紋源[4-6]。通過斷口形貌及金相組織觀察，熱影響層內距表面4～5mm附近存在大量微裂紋，分析結果印證了此類微裂紋的形成機理。

該工件為鍛壓件，板厚195mm屬超厚板，鍛壓變形對心部影響較小，工件由表及里存在硬度梯度，其本身具有一定的殘余應力。火焰切割形成的微裂紋缺口使應力得以釋放，鋼坯在火焰切割過程中，切割面與冷金屬產生較大溫度差，導致鋼板內應力增大，加速了裂紋擴展。裂紋在內應力的驅動下不斷向兩側擴展、延伸，最終匯聚成連續的或非連續的直裂紋，直到部分裂紋擴展到工件表面[7，8]。

5 結束語

1）超厚尺寸鍛件火焰切割面產生的微裂紋在熱影響區內萌生，工件在自然冷卻過程中，內應力因微裂紋產生的缺口效應得以釋放，裂紋逐步延伸，此類裂紋具有時效性，符合應力延遲裂紋的特征。

2）提高原材料質量，保證工件金相組織、化學成分、力學性能在基體中的均勻性。

3）優化超厚尺寸鍛件火焰切割工藝，切割前要進行預熱，預熱溫度100～200℃，切割后采取爐冷或耐火棉覆蓋保溫等緩冷措施，有效降低冷卻速度，改善熱影響區組織。