D667不銹鋼絲深加工過(guò)程中的斷裂行為

譚 瑤，宋仁伯，王賓寧，陳 雷，周乃鵬

（北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

D667不銹鋼絲深加工過(guò)程中的斷裂行為

譚 瑤，宋仁伯，王賓寧，陳 雷，周乃鵬

（北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

通過(guò)光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)D667不銹鋼絲斷裂試樣進(jìn)行金相組織和斷口形貌觀察、夾雜物分析，探究斷裂形成的原因。結(jié)果表明：D667原料試樣金相組織為奧氏體，拉拔后在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)大量的交錯(cuò)滑移帶，強(qiáng)度增加，韌性下降；D667不銹鋼絲在服役過(guò)程中出現(xiàn)了脆性斷裂和韌性斷裂，斷裂試樣組織存在形變孿晶和針狀馬氏體等異常相；脆斷試樣中夾雜物尺寸較大且為鈣基和鋁基化合物，空洞擇優(yōu)在夾雜物附近形核，微裂紋形核后、迅速長(zhǎng)大并連接誘導(dǎo)脆斷。韌斷試樣中縮孔群尺寸較大，導(dǎo)致基體不連續(xù)，服役中向外擴(kuò)展長(zhǎng)大，形成韌斷。

D667不銹鋼；深加工；斷裂；夾雜物

不銹鋼是在空氣或者腐蝕介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼，廣泛用于航空、化工、汽車、能源及建筑等行業(yè)［1］。D667不銹鋼對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)牌號(hào)為0Cr13Mn14Cu2，屬于鉻錳系奧氏體不銹鋼，通常所采用的化學(xué)成分為：w(C)=0.07%，w(Si)= 0.40%，w(Mn)=13.6%，w(P)≤0.040%，w(S)≤0.006%，w(Cr)=13.3%，w(Ni)=0.83%，w(Cu)= 1.85%。其中，用Mn替代鋼中部分Ni元素，不僅可以節(jié)約稀有貴重金屬Ni，還能增強(qiáng)奧氏體的穩(wěn)定性；低碳可以避免晶間腐蝕；添加適量的Cu元素，可以提高機(jī)械性能和耐蝕性。國(guó)內(nèi)某不銹鋼精線公司生產(chǎn)的D667不銹鋼絲，在下游廠家深加工過(guò)程中出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象。對(duì)于鋼絲的拉拔過(guò)程，斷裂嚴(yán)重影響生產(chǎn)的連續(xù)性和產(chǎn)品質(zhì)量。近年來(lái)，不銹鋼深加工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝和質(zhì)量問(wèn)題也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。材料的斷裂是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，通常是其本身的性質(zhì)、環(huán)境因素、工作應(yīng)力狀態(tài)、構(gòu)件的形狀及尺寸、材料的結(jié)構(gòu)及缺陷等諸多因素綜合作用的結(jié)果，這就使得對(duì)材料斷裂過(guò)程的分析增加了很多不確定的因素［2］。

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某不銹鋼企業(yè)在D667不銹鋼絲的拉拔過(guò)程中出現(xiàn)的斷裂問(wèn)題，通過(guò)觀察試樣的微觀組織、斷口形貌及夾雜物特征，分析其斷裂的形成原因，從而為企業(yè)改進(jìn)其生產(chǎn)工藝和提高產(chǎn)品質(zhì)量提供合理的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為企業(yè)生產(chǎn)的D667不銹鋼絲，原料直徑為4.8 mm，斷裂試樣的直徑為2 mm，由于在拉拔后的深加工過(guò)程中出現(xiàn)了斷裂問(wèn)題，因此對(duì)斷裂的鋼絲及其原料進(jìn)行取樣，選取了兩種斷口差異較大的鋼絲深加工產(chǎn)品，并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，分別為1號(hào)和2號(hào)，材料實(shí)物如圖1所示。將試樣進(jìn)行磨拋，用王水（鹽酸：硝酸=3：1）進(jìn)行侵蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察其金相組織形貌。采用掃描電鏡觀察拉拔斷裂后的斷口宏觀和微觀形貌，同時(shí)觀察夾雜物特征及其尺寸，并采用EDS能譜檢測(cè)其化學(xué)組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)材料Fig.1 Experimental specimens

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金相組織觀察

如圖2所示，原料試樣的金相組織為奧氏體。在縱截面可以觀察到明顯的拉拔痕跡，奧氏體晶粒已經(jīng)被拉長(zhǎng)，在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)大量的交錯(cuò)滑移帶，晶粒被滑移帶分割成細(xì)小的晶胞，晶界和滑移帶分辨不清，呈纖維狀組織。由于存在較多的滑移帶，滑移帶附近的晶粒破碎，造成臨界切應(yīng)力提高，使繼續(xù)變形發(fā)生困難，即產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象，使金屬的硬度、強(qiáng)度增加，但塑性和韌性下降，容易發(fā)生斷裂。

圖2 D667不銹鋼絲原料試樣金相組織（500倍）Fig.2 Metallographic microstructure of D667 stainless steel raw material

圖3 D667不銹鋼絲斷裂試樣1號(hào)組織形貌Fig.3 Morphology of D667 stainless steel No.1 fracture specimen

圖4 D667不銹鋼絲斷裂試樣2號(hào)組織形貌Fig.4 Morphology of D667 stainless steel No.2 fracture specimen

圖3和圖4為斷裂試樣形貌。兩種服役斷裂試樣顯微組織同樣以?shī)W氏體為基體，還有一定數(shù)量的形變孿晶和馬氏體。奧氏體呈塊狀分布，但分布不均且尺寸不同。形變孿晶成對(duì)出現(xiàn)于奧氏體晶粒內(nèi)部，但數(shù)量較少。馬氏體呈針狀或竹葉狀，分布于奧氏體周邊，數(shù)量較多。縱向組織中還存在平行與拉拔形成方向的變形帶。通過(guò)對(duì)比，1號(hào)試樣的組織均勻性比2號(hào)試樣差。同時(shí)試樣中出現(xiàn)組織不均勻及馬氏體等異常相，也會(huì)加劇材料的性能變化，使得鋼絲在后續(xù)服役過(guò)程中更易發(fā)生斷裂。一般情況下，D667含碳量較低，約為0.06%～0.075%，理論上含碳量較低的（≤0.12%）馬氏體相屬于低碳馬氏體，其空間形態(tài)為相互平行的細(xì)條狀，即為板條馬氏體。但根據(jù)圖3和圖4可知，D667不銹鋼斷口試樣中的馬氏體形態(tài)為針狀或者竹葉狀，故試樣中的碳含量異常。D667不銹鋼試樣中含碳量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致材料硬度上升，但塑性、韌性明顯下降。這一因素也會(huì)加劇試樣的斷裂。

2.2 斷口形貌觀察

對(duì)D667不銹鋼試樣斷口形貌特征進(jìn)行觀察。圖5和圖6為試樣斷口的掃描照片。

圖5 試樣1號(hào)斷口形貌Fig.5 Fracture micrograph of No.1 specimen

圖6 試樣2號(hào)斷口形貌Fig.6 Fracture micrograph of No.2 specimen

根據(jù)圖5a可知，1號(hào)試樣宏觀斷口無(wú)明顯塑性變形，斷口比較平齊，無(wú)盆狀或杯狀現(xiàn)象。在斷口表面部分區(qū)域也存在一定數(shù)量的裂紋，如箭頭所指位置。由圖5b可以看出，試樣微觀斷口心部區(qū)域裂紋數(shù)量較多，縱橫交錯(cuò)，但裂紋的尺寸較小。由圖5c可以看出，1號(hào)試樣微觀斷口邊部區(qū)域裂紋數(shù)量相對(duì)較少，貫穿整個(gè)視場(chǎng)，有局部沿晶斷裂的特征，但裂紋的尺寸較大。因此，根據(jù)斷口特征判定，1號(hào)試樣斷裂類型屬于脆性斷裂。

根據(jù)圖6a可知，2號(hào)試樣宏觀斷口存在明顯塑性變形，斷口呈杯錐狀現(xiàn)象。斷口表面的纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)較為明顯。在斷口表面部分區(qū)域也存在一定數(shù)量的裂紋，如箭頭所指位置。由圖6b可以看出，2號(hào)試樣微觀斷口心部區(qū)域存在大量的等軸韌窩，且韌窩尺寸較大，深度較深。由圖6c可以看出，2號(hào)試樣微觀斷口邊部區(qū)域也有一定數(shù)量的韌窩，但韌窩存在一定的方向性，指向斷口邊緣，同時(shí)韌窩的尺寸較小，深度較淺。韌窩微觀形態(tài)呈蜂窩狀，是塑性變形在微觀區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的顯微空洞，經(jīng)過(guò)形核、長(zhǎng)大、聚集，最后導(dǎo)致斷裂后在斷口表面形成。因此判定，2號(hào)試樣斷裂類型屬于韌性斷裂。

鋼絲韌性斷裂過(guò)程如圖7所示。鋼鐵材料發(fā)生屈服后產(chǎn)生宏觀塑性變形并出現(xiàn)頸縮，由于存在缺口，試樣內(nèi)部將出現(xiàn)兩拉一壓的三向應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)空洞極易在夾雜物處形核，接著長(zhǎng)大和連接。如果在試樣中心形成很多微小的裂紋，它們向四周放射狀的快速擴(kuò)展就形成放射區(qū)。當(dāng)裂紋快速擴(kuò)展到試樣表面時(shí)，由于剩余厚度很小，變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，因此剩余的表面部分發(fā)生剪切斷裂。

圖7 杯錐狀宏觀斷口Fig.7 Cup-cone fracture

2.3 夾雜物及缺陷分析

對(duì)D667不銹鋼絲服役過(guò)程中斷裂的試樣，觀察其夾雜物與缺陷分布及能譜分析。根據(jù)圖8a可知，1號(hào)試樣中夾雜呈塊狀，暗灰色，其尺寸約為3 μm。由圖8b可知，該夾雜中主要含有Al、Si、Ca等異常元素，可能的夾雜物為鈣基和鋁基化合物。根據(jù)圖9可以看出1號(hào)試樣出現(xiàn)一定尺寸的縮孔群，排列方向與拉拔方向平行。在其中某一縮孔內(nèi)進(jìn)行能譜分析，可知縮孔內(nèi)含Si含量偏高。根據(jù)圖10a可知，2號(hào)試樣中夾雜呈球狀，暗灰色，夾雜位于韌窩底部。由圖10b可知，該夾雜中主要含有S、Ca、O等異常元素，可能的夾雜物為氧化鈣和硫化物。由圖11可知，2號(hào)試樣組織中出現(xiàn)尺寸較大的縮孔群，縮孔群排列方向平行于拉拔方向，其尺寸約為110 μm。在源區(qū)縮孔內(nèi)進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)縮孔內(nèi)含有較多的Al、O等異常元素，可知縮孔內(nèi)可能含有Al2O3夾雜。

圖8 D667試樣1號(hào)斷口的夾雜及能譜Fig.8 Inclusions and EDS of No.1 fracture

圖9 D667試樣1號(hào)斷口的縮孔及其能譜Fig.9 Porosities and EDS of No.1 fracture

圖10 D667試樣2號(hào)斷口的夾雜及能譜Fig.10 Inclusions and EDS of No.2 fracture

圖11 D667試樣2號(hào)斷口的縮孔及其能譜Fig.11 Inclusions and EDS of No.2 fracture

不銹鋼中的非金屬夾雜物會(huì)影響材料的塑性、韌性、抗疲勞性甚至部分物理性能都受到一定影響，夾雜物的尺寸及形貌對(duì)鋼絲內(nèi)部應(yīng)力分布也會(huì)產(chǎn)生重要影響，在冷加工過(guò)程中會(huì)在夾雜物的尖端造成應(yīng)力集中從而形成裂紋源，因此夾雜物對(duì)金屬材料的延伸率和斷面收縮率影響很大；同時(shí)，由于夾雜物同基體金屬的彈性、塑性有相當(dāng)大的差別，在金屬的變形過(guò)程中，非金屬夾雜物對(duì)鋼的塑性和韌性的影響就非常大。1號(hào)試樣中存在一定數(shù)量的非金屬夾雜物，空洞優(yōu)先在夾雜物附近形核，因此在斷口上存在微裂紋。微裂紋迅速長(zhǎng)大并相互連接就會(huì)誘導(dǎo)脆斷。2號(hào)試樣中存在尺寸較大的縮孔，在拉拔過(guò)程中由于夾雜形成的空洞被拉長(zhǎng)，形成平行于拉拔方向的縮孔群，破壞基體的連續(xù)性。在后續(xù)服役過(guò)程中，縮孔群會(huì)不斷向外擴(kuò)展長(zhǎng)大，最終形成韌性斷裂［3-8］。

3 結(jié)論

（1）D667原料試樣金相組織為奧氏體組織，并有明顯的拉拔痕跡和大量的交錯(cuò)滑移帶。大量的滑移帶容易產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，使金屬的硬度和強(qiáng)度增加，但塑性和韌性下降，從而導(dǎo)致斷裂。

（2）D667不銹鋼絲在服役過(guò)程中出現(xiàn)了脆性斷裂和韌性斷裂。斷裂試樣組織以?shī)W氏體為基體，還存在形變孿晶和馬氏體等異常相。脆性斷裂試樣組織不均勻性高于韌性斷裂試樣。

（3）脆斷主要是由鈣基和鋁基夾雜物引起的。空洞擇優(yōu)在夾雜物附近形核，微裂紋形核后、迅速長(zhǎng)大并連接從而誘導(dǎo)脆斷。韌斷試樣的中縮孔群尺寸較大，縮孔群導(dǎo)致基體不連續(xù)性，在服役過(guò)程中不斷向外擴(kuò)展長(zhǎng)大，最終形成韌斷。

［1］朱則剛.淺談不銹鋼的應(yīng)用及其表面處理和加工技術(shù)［J］.特鋼技術(shù)，2014，20（78）：8-13.

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Fracture behavior of D667 stainless steel wire in deep-processing

TAN Yao，SONG Renbo，WANG Binning，CHEN Lei，ZHOU Naipeng

（School of Materials and Engineering，University of Science and Engineering Beijing，Beijing 100083，China）

Metallographic microstructure，morphology of fracture and inclusions were observed by optical microscopy and SEM to explore the formation of fracture.The results show that the microstructure of D667 raw material is austenite，cross slip bands are found after drawing and the yield strength and toughness reduced. Brittle and ductile fractures are observed due to the formation of the deformation twins and martensite phase during the steel wire serving.The inclusions of brittle fracture are calcium and aluminum compounds.Cavitation preferentially nucleates near the inclusions.Cracks rapidly grow up after nucleating and induce fracture. The size of porosities in ductile fracture is larger which leads to the matrix uncontinuous and then these porosities expand in the following processing and finally induce ductile fracture.

D667 stainless steel；deep-processing；fracture；inclusions

September7，2016）

TG356.4：O484.4

A

1674-1048（2017）01-0014-06

10.13988/j.ustl.2017.01.004

2016-09-07。

譚瑤（1992—），女，四川成都人。

宋仁伯（1970—），男，遼寧鞍山人，教授。