30CrMnSiA鋼筒形件鉻偏析缺陷研究

王海云 姚春臣 李保榮 聶仙娥 曹俊敏、2 阮瀅瀅

（1 江南工業(yè)有限公司，湖南 湘潭，411207；2 湘潭大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南 湘潭，411105）

30CrMnSiA鋼筒形件鉻偏析缺陷研究

王海云1 姚春臣1 李保榮1 聶仙娥1 曹俊敏1、2 阮瀅瀅1

（1 江南工業(yè)有限公司，湖南 湘潭，411207；2 湘潭大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南 湘潭，411105）

本文對30CrMnSiA鋼薄壁筒形件上出現(xiàn)的疑似裂紋、劃痕、發(fā)紋的不明缺陷進行了外觀形貌、磁粉探傷、金相、電鏡能譜等檢測分析，并進行了切向力學(xué)性能對比測試。分析檢測和對比測試的結(jié)果表明：上述產(chǎn)品上出現(xiàn)的缺陷并不是真正的裂紋、劃痕、發(fā)紋，而是由原材料中的Cr成分偏析所導(dǎo)致的較光亮的線條狀、細網(wǎng)帶狀缺陷。在偏析區(qū)內(nèi)，合金元素Cr的含量顯著高于正常材料含量，在原材料供應(yīng)狀態(tài)，其缺陷很難發(fā)現(xiàn)，而在真空淬火及真空回火之后，偏析區(qū)比正常材料區(qū)光亮，才在機械加工和磁粉探傷檢驗時發(fā)現(xiàn)；這種Cr偏析缺陷不能提高30CrMnSiA鋼產(chǎn)品材料的切向強度，而有可能顯著降低材料的切向塑性。

30CrMnSiA鋼；筒形件；Cr偏析；缺陷；失效分析；真空熱處理；切向力學(xué)性能

一種30CrMnSiA鋼薄壁筒形件由外徑不同的零部件組焊而成。焊接檢驗合格后，經(jīng)真空淬火和真空回火之后轉(zhuǎn)切削加工。過去生產(chǎn)正常，真空熱處理從未出現(xiàn)材料裂紋、偏析問題。后來有一批真空熱處理后的筒形焊接件在精車時，車工報告表示產(chǎn)品上有裂紋，進一步檢查發(fā)現(xiàn)不是裂紋，而是一種罕見的不明缺陷，故對這種罕見的不明缺陷進行了檢查分析和試驗。

圖1 11號殼體本體部位外圓上的缺陷形貌

圖2 11號殼體本體部位內(nèi)壁上的缺陷形貌

圖3 缺陷在材料橫截面上的形貌（5×）

圖4 缺陷處的材料組織（50×）

1 對缺陷的宏觀檢查分析

首先，對發(fā)現(xiàn)有“裂紋”的產(chǎn)品進行了宏觀形貌檢查分析。發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品并沒有裂開，而是有一些線條狀或細網(wǎng)帶狀的缺陷。初看很像是產(chǎn)品材料裂了，但更像是產(chǎn)品表面被劃傷留下的劃痕。這些缺陷大體上都是沿著原材料的縱向分布，但只是直徑最大的零件上才有，而焊在一起但直徑較小的零件上都沒有這種缺陷。在存在這種缺陷的產(chǎn)品中，有的產(chǎn)品只是在外圓上有這種缺陷，有的產(chǎn)品是內(nèi)孔的內(nèi)壁上存在這種缺陷，還有一些產(chǎn)品是外圓和內(nèi)壁都可以看見缺陷。圖1和圖2分別是編號為11號的產(chǎn)品外圓和內(nèi)壁上的缺陷形貌。

由圖1和圖2可見，產(chǎn)品外圓和內(nèi)壁上都存在一束大體上由3條細亮線組成的細網(wǎng)帶狀缺陷，沿著其原材料軋制的方面呈縱向分布，貫穿直徑最大的零件材料長度。對照圖1和圖2中的缺陷，即把外圓和內(nèi)壁的缺陷結(jié)合起來看，就會發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品外圓上缺陷與內(nèi)壁上缺陷的位置吻合得很好，說明這可能是同一條缺陷束。

該缺陷出現(xiàn)的位置和走向并非是產(chǎn)品淬火時應(yīng)力集中的位置和走向。顯然，這不是熱處理產(chǎn)生的裂紋。

該產(chǎn)品熱處理和精車，一般都不出現(xiàn)劃痕。由于產(chǎn)品外圓上缺陷與內(nèi)壁上缺陷的位置吻合得很好，劃痕不可能吻合得這樣好，所以也不可能是劃痕。

圖5 缺陷處（偏析帶）的能譜分析

圖6 正常組織區(qū)的的能譜分析

2 磁粉探傷測試

為鑒別這種缺陷，對11號殼體進行了磁粉探傷檢測。磁粉探傷證實缺陷既不是裂紋，也不是劃痕。

起初，磁粉探傷認為是發(fā)紋，但對其缺陷反復(fù)數(shù)次進行磁粉探傷發(fā)現(xiàn)，該缺陷處的磁粉聚集并不明顯，而是缺陷自身的顏色與基體的色差較明顯。所以這是與發(fā)紋有些類似的一種不明缺陷。

發(fā)現(xiàn)這種缺陷之后，對該批尚未精加工完畢的產(chǎn)品全部進行了磁粉探傷檢驗。檢驗發(fā)現(xiàn)存在這種缺陷的產(chǎn)品約占20%。

上述產(chǎn)品在焊接之前和淬回火之前的磁粉探傷時，都未曾發(fā)現(xiàn)這種缺陷。對用同一批原材料加工的尚未焊接和熱處理的零件，以及焊接后尚未淬回火的產(chǎn)品也全部進行磁粉探傷檢驗，但也都沒有發(fā)現(xiàn)這種缺陷，這說明這種缺陷只在淬回火之后才易被發(fā)現(xiàn)。

3 理化測試分析

3.1金相檢查

在11號產(chǎn)品有缺陷的部位截取材料試樣進行了金相檢查，發(fā)現(xiàn)試樣的橫截面有白色缺陷存在（見圖3），缺陷處的顯微組織見圖4。

從圖4可見，產(chǎn)品材料組織為回火索氏體，缺陷處為異常的白亮組織區(qū)，但不是裂紋，也不是非金屬夾雜物。

從以上檢測分析可見，該批產(chǎn)品在精加工發(fā)現(xiàn)的“裂紋”并不是裂紋，也不是因鋼中夾雜物或氣孔、疏松導(dǎo)致的發(fā)紋[1]，更不是表面劃痕，而是沿原材料軋制方向分布的細條狀或細網(wǎng)帶狀的異常材料組織區(qū)。其表面顏色比正常材料明亮，所以初看起來很像是裂紋或劃痕。材料組織與其化學(xué)成分有關(guān)，組織異常說明其成分異常。即該批產(chǎn)品的材料存在細條狀或細網(wǎng)帶狀的成分偏析區(qū)。

表1 切向試樣拉伸試驗數(shù)據(jù)對照表

3.2 電鏡能譜測試

對缺陷部位材料成分的能譜檢測分析由原材料供應(yīng)單位湖南衡陽華菱鋼管有限公司進行。從探傷檢驗發(fā)現(xiàn)的缺陷較嚴(yán)重的幾件產(chǎn)品中隨機抽取了1件產(chǎn)品取樣對比檢測的正常區(qū)與偏析區(qū)的微區(qū)成分。圖5為該件產(chǎn)品大直徑零件缺陷區(qū)（偏析區(qū)）的能譜檢測位置、曲線及數(shù)據(jù)。圖6為該缺陷附近正常組織區(qū)的能譜檢測位置、曲線及數(shù)據(jù)。

從圖5和圖6可見，缺陷區(qū)的合金元素Cr含量遠高于30CrMnSiA鋼正常的Cr含量。國標(biāo)GB/ T 3077-1999 規(guī)定30CrMnSiA鋼的Cr含量應(yīng)為0.80wt%～1.10wt%[2][3]，偏析區(qū)Cr含量實為2.86wt%，相當(dāng)于正常含量的3倍。

4 水壓及力學(xué)性能試驗

4.1 水壓試驗

由于Cr在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中主要作用是提高淬透性，使鋼經(jīng)淬火回火后具有較好的綜合力學(xué)性能。存在Cr偏析的30CrMnSiA鋼的力學(xué)性能和產(chǎn)品使用性能值得探討。

于是，從缺陷較嚴(yán)重的產(chǎn)品中隨機抽取了1件作水壓試驗和水壓爆破試驗，其試驗測值符合產(chǎn)品質(zhì)量要求，與正常產(chǎn)品沒有明顯差別。

4.2 切向力學(xué)性能試驗

由于缺陷為縱向，對材料和產(chǎn)品的橫向或切向性能的影響最需要探討，于是從前述取樣檢測了金相組織的11號產(chǎn)品上，切取了4件切向拉伸試樣進行切向力學(xué)性能對比試驗。

其中1號和3號是帶有同1條（束）長缺陷的試樣；3號和4號是產(chǎn)品的同一長度段上另一側(cè)無缺陷部位的試樣。1號和2號試樣是采用線切割的方法同時切下的，3號和4號試樣是同時切下的。

試樣切割后加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進行了拉伸試驗，試驗結(jié)果見表1。

從表1可見無偏析缺陷2號和4號試樣的抗拉強度Rm和斷后伸長率A都較高；試樣帶有偏析缺陷但尚未斷在偏析缺陷處的1號試樣的Rm和A稍有降低，但仍符合其材料標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于抗拉強度Rm不低于1080MPa、斷后伸長率A不低于8%的要求[2]；試樣帶有偏析缺陷而且斷在偏析缺陷處的3號試樣的強度有所降低，也還符合其材料標(biāo)準(zhǔn)的要求，而斷后伸長率顯著降低，明顯不合格。

對比檢查試樣的拉伸曲線，1號、2號、4號試樣的拉伸曲線在峰值之后有一段下降的曲線，而3號試樣的拉伸曲線為單調(diào)上升曲線，峰值之后曲線終止。

5 討論

5.1 缺陷的性質(zhì)

根據(jù)上述測試分析，該批產(chǎn)品出現(xiàn)的“裂紋”、“劃痕”、“發(fā)紋”并不是真正的裂紋、劃痕、發(fā)紋，而是由零件原材料中的Cr成分偏析所導(dǎo)致的較光亮的線條狀、細網(wǎng)帶狀原材料缺陷。該批零件所采用的原材料中存在合金元素Cr的含量顯著高于正常材料含量的成分偏析區(qū)，經(jīng)多次軋制之后，偏析區(qū)被拉長，呈線條狀或細帶狀分布在材料中。

5.2 缺陷在真空淬回火之后才易發(fā)現(xiàn)

這種Cr偏析缺陷，在零件的切削加工、外觀檢驗、磁粉探傷檢驗中尚未發(fā)現(xiàn)，在焊接之后的外觀、探傷檢驗中也沒能發(fā)現(xiàn)，直到真空熱處理之后才被發(fā)現(xiàn)。這說明偏析帶中Cr含量遠高于30CrMnSiA鋼的正常Cr含量，在原材料供應(yīng)狀態(tài)（退火狀態(tài)），偏析區(qū)和正常材料區(qū)的組織形態(tài)、力學(xué)性能和亮度差別不大，以至于缺陷在其切削加工過程中、在磁粉探傷中都很難發(fā)現(xiàn)。

30CrMnSiA鋼產(chǎn)品真空淬火后光亮，真空回火時有表面顏色易變暗的情況。產(chǎn)品在真空熱處理后精加工時，細心負責(zé)的車工發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品上有偏析帶形成的亮線，酷似材料出現(xiàn)了裂紋。這說明偏析帶處材料的Cr含量高，抗蝕性高于附近的正常材料，所以在真空回火之后，顯得比正常材料明亮，肉眼就可以發(fā)現(xiàn)，而磁粉探傷時缺陷更顯得明顯。

由此可見，如果該產(chǎn)品不是采用真空熱處理，可能也難以發(fā)現(xiàn)這種缺陷。

5.3 Cr偏析缺陷對材料性能的影響

從表1可見，帶有這種縱向線條狀Cr偏析缺陷的切向材料試樣存在在偏析區(qū)（及其附近）斷裂和在離偏析區(qū)稍遠的正常組織區(qū)斷裂的兩種不同的可能性。其抗拉強度都是略低于沒有缺陷的試樣。斷口在正常組織區(qū)的試樣的斷后伸長率符合材料標(biāo)準(zhǔn)的要求，而斷口在偏析區(qū)的試樣的斷后伸長率則顯著降低不合格。這表明這種Cr偏析區(qū)的材料比正常組織區(qū)的材料脆，這種Cr偏析缺陷不能提高30CrMnSiA鋼產(chǎn)品材料的切向強度，而有可能顯著降低材料的塑性。

5.4 Cr偏析缺陷對產(chǎn)品使用性能的影響

這樣嚴(yán)重的Cr偏析是不符合國家有關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)的，屬于原材料的質(zhì)量問題。

由于這種缺陷不是裂紋，所以對材料、對產(chǎn)品的不良影響遠比裂紋小。抽樣進行水壓試驗和水壓爆破試驗無異常的情況說明這種偏析對該產(chǎn)品的水壓強度沒有明顯的不良影響。

因此，對于水壓強度和水壓爆破試驗合格就能滿足其使用性能要求的產(chǎn)品，可以通過有關(guān)質(zhì)量管理的審理程序考慮能否處理使用，否則應(yīng)當(dāng)報廢。

6 結(jié)論

（1）上述30CrMnSiA鋼產(chǎn)品出現(xiàn)的縱向分布的亮條狀或細網(wǎng)帶狀不明缺陷，不是真正的裂紋、劃痕或發(fā)紋，而是由零件的原材料中的Cr成分偏析所導(dǎo)致的較光亮的線條狀、細網(wǎng)帶狀缺陷。

（2）在偏析區(qū)內(nèi)，合金元素Cr的含量顯著高于正常材料含量。在原材料供應(yīng)狀態(tài)，其缺陷很難發(fā)現(xiàn)，而在真空淬火及真空回火之后，偏析區(qū)比正常材料區(qū)光亮，才會被肉眼檢查和磁粉探傷檢驗發(fā)現(xiàn)。

（3）這種Cr偏析缺陷不能提高30CrMnSiA鋼產(chǎn)品材料的切向強度，而有可能顯著降低材料的切向塑性。

（

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[1] 胡世炎.機械失效分析手冊 [M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社, 1989：223.

[2] GB/T 8162-2008.結(jié)構(gòu)用無縫鋼管[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[3] GB/T 3077-1999.合金結(jié)構(gòu)鋼[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1999.

Research on the Cr Segregation Defect of the Tubular Parts with 30CrMnSiA Steel

WANG haiyun1, YAO Chun-chen1, LI Baorong1, NIE Xiane1, CAO Junmin1,2, RUAN Ying-ying1
(1. JIANGNAN Industries Group Co., Ltd, Xiangtan, 411207; 2. Mechanical Engineering College in Xiangtan University, Xiangtan, 411105)

This paper introduces the analysis of the unidentified defects on the thin-walled tubular parts with 30CrMnSiA steel, such as suspected cracks, scratches and hair cracks by means of configuration inspection, magnetic powder inspection, metallographic inspection, electron microscope energy spectrum inspection and tests on the tangential mechanical properties as well. The analytic inspection and testing results indicate that the defects of the products are not the same with the suspected ones mentioned above, but the defects due to Cr segregation of the raw material, in addition, the defects take on bright line shape and tiny net shape. In the segregation zone, the Cr content of alloy element is distinctly more than that in the normal material; it is difficult to find out the defects in state of raw material, while after vacuum quenching and tempering processes, the segregation zone is brighter than the normal material, and the defects can be found during machining inspection and magnetic powder inspection. Moreover, the Cr segregation won' t increase the tangential strength of products with 30CrMnSiA steel, but it may obviously decrease the tangential plasticity of material.

30CrMnSiA steel; tubular parts; Cr segregation; defects; failure analysis; vacuum heat treatment; tangential mechanical properties

王海云（1964-），男，碩士，研究員級高級工程師，中國兵器工業(yè)集團公司科技帶頭人。