摘 要:為了分析35CrMnSi低合金高強(qiáng)度鋼在拉伸試驗(yàn)中斷面收縮率偏低的原因,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。結(jié)果表明:35CrMnSi鋼拉伸試樣中存在一定量氫,在拉伸 應(yīng)力的共同作用下,產(chǎn)生的“魚(yú)眼”缺陷是導(dǎo)致拉伸試樣斷面收縮率偏低的主要原因。

關(guān)鍵詞:拉伸斷口;缺陷;顯微孔洞

中圖分類(lèi)號(hào):TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)02-0076-03 。

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(guò)熱 處 理 后 的?100 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(guò)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45min;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(jiàn)圖1)進(jìn)行觀察,右側(cè)框內(nèi) 是斷面收縮率剛超過(guò)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(méi)有放射區(qū)。

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/T3077—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 數(shù) 均 約 為 0.6×10 -6。

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(guò)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(lèi)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。

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(wú)夾雜物,周?chē)堑容S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(yú)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?chē)鸀闅浯鄿?zhǔn)解理斷裂形貌,有的“魚(yú)眼”區(qū) 域與周?chē)捻g性斷裂基體已經(jīng)分離。觀察沖擊試樣斷 口,未發(fā)現(xiàn)類(lèi)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(wú)夾雜物。對(duì)“魚(yú)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(jiàn)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。

2 綜合分析

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)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(lèi)夾雜物以及氮化鈦類(lèi)夾雜物,說(shuō)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(yú)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?chē)菤浯鄿?zhǔn)解理特征。在沖擊試樣斷 口上未觀察到此類(lèi)形貌,且在試樣上也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)發(fā) 紋,這與“魚(yú)眼”氫損傷的特征一致[1-2]。拉伸試樣的 “魚(yú)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(yú)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(yú)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(kāi)裂。一般鋼中的氫含量達(dá) 到5×10 6 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(guò)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(yú)眼”缺陷。如此反復(fù),便在斷口 上形成多個(gè)大小不一的“魚(yú)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(yú)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(yú)眼型白點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生,提高 產(chǎn)品的塑性和韌性。

參考文獻(xiàn):

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