60Si2MnA彈簧圓鋼拉伸脆斷原因分析

李祥才，田文慶

（青島特殊鋼鐵有限公司 棒材研究所，山東 青島266400）

60Si2MnA彈簧圓鋼拉伸脆斷原因分析

李祥才，田文慶

（青島特殊鋼鐵有限公司 棒材研究所，山東 青島266400）

針對(duì)60Si2MnA彈簧圓鋼在拉伸檢驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)拉伸脆斷的問(wèn)題，利用金相顯微鏡、掃描電鏡等觀察分析手段，對(duì)熱處理后的拉伸試樣斷口形貌進(jìn)行檢查分析；對(duì)熱軋狀態(tài)試樣進(jìn)行了化學(xué)成分、低倍組織、顯微組織和奧氏體晶粒度的檢測(cè)分析；對(duì)熱處理拉伸樣進(jìn)行了夾雜物、組織和氧氮?dú)浜康臋z測(cè)分析。檢驗(yàn)結(jié)果表明，熱軋圓鋼心部存在的氫致裂紋以及較高的氮含量是造成彈簧圓鋼拉伸脆斷的原因。

60Si2MnA彈簧圓鋼；拉伸脆斷；氮含量；氫致裂紋

1 前言

60Si2MnA圓鋼是應(yīng)用廣泛的硅錳彈簧鋼，強(qiáng)度高、彈性好、抗回火穩(wěn)定性好，是主要的彈簧鋼種，多用于汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)和鐵路行業(yè)，常用作穩(wěn)定桿、扭力桿、螺旋彈簧、汽缸安全閥簧等部件。由于彈簧鋼的工作條件十分苛刻，對(duì)其質(zhì)量的要求就非常嚴(yán)格。近期青島特殊鋼鐵有限公司生產(chǎn)的Φ30mm規(guī)格60Si2MnA熱軋圓鋼，拉伸試樣按GB/T 1222—2007標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行熱處理，熱處理后加工成拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)樣，按照GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果試樣斷口出現(xiàn)明顯無(wú)縮頸，導(dǎo)致拉伸脆斷。為查明拉伸脆斷的原因，對(duì)該彈簧圓鋼母材和拉伸脆斷樣進(jìn)行了理化檢驗(yàn)分析。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分

對(duì)60Si2MnA鋼拉伸脆斷試樣取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，60Si2MnA熱軋圓鋼化學(xué)成分符合GB/T 1222—2007標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 60Si2MnA鋼拉伸樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.2 低倍檢驗(yàn)

對(duì)60Si2MnA鋼拉伸樣母材取樣品2塊，做低倍酸蝕，低倍酸蝕嚴(yán)格按照GB/T 226—2015標(biāo)準(zhǔn)要求使用1∶1鹽酸水溶液加熱到70～80℃進(jìn)行熱酸蝕，酸洗時(shí)間為20min，酸蝕低倍組織見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，2塊母材樣品中心均存在細(xì)小微裂紋。

圖1 60Si2MnA鋼酸蝕低倍組織

2.3 金相檢驗(yàn)

2.3.1 母材金相檢驗(yàn)

對(duì)60Si2MnA鋼母材切取試樣進(jìn)行組織和奧氏體晶粒度檢驗(yàn)，母材組織見(jiàn)圖2，奧氏體晶粒度見(jiàn)圖3。顯微組織表明母材組織正常，奧氏體晶粒度達(dá)到11.0級(jí)以上，晶粒很細(xì)。奧氏體晶粒越細(xì)，彈簧鋼的疲勞性能越好。母材顯微組織和奧氏體晶粒度均表明，60Si2MnA鋼的原始組織很好。

圖2 60Si2MnA鋼金相組織（S+P+少量F）

圖3 60Si2MnA鋼奧氏體晶粒度（11.5級(jí)）

2.3.2 熱處理樣金相檢驗(yàn)

在60Si2MnA鋼熱處理拉伸樣裂紋處分別切取金相試樣進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表2。檢驗(yàn)結(jié)果表明夾雜物滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)該不是拉伸脆斷的原因。熱處理后橫斷面試樣組織為回火屈氏體，也符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是熱處理樣心部有裂紋，并且裂紋穿晶，見(jiàn)圖4。

表2 60Si2MnA鋼熱處理拉伸樣非金屬夾雜物 級(jí)

圖4 60Si2MnA鋼熱處理樣金相組織及裂紋形貌

2.4 氧氮?dú)浜糠治?/h3>

對(duì)60Si2MnA鋼拉伸脆斷樣進(jìn)行氧氮?dú)浜繖z驗(yàn)，O 含量 13×10-6，N 含量 76×10-6，H 含量 1.90×10-6。檢驗(yàn)結(jié)果表明，拉伸脆斷樣N、H含量較高。

2.5 斷口分析

采用掃描電鏡對(duì)拉伸脆斷斷口微觀形貌進(jìn)行觀察，見(jiàn)圖5。

圖5 60Si2MnA鋼拉伸脆斷斷口掃描電鏡形貌

拉伸試樣心部斷口具有撕裂嶺形貌（見(jiàn)圖5a）和“舌狀”花樣（見(jiàn)圖5b），同時(shí)心部個(gè)別區(qū)域也具有等軸韌窩特征。心部區(qū)域的撕裂嶺形貌和個(gè)別區(qū)域的等軸韌窩特征是典型的準(zhǔn)解理斷裂特征，而“舌狀”花樣是典型的解理斷裂特征?！吧酄睢被邮莧100}解理面和形變孿晶的{112}解理面相交所形成的。當(dāng)解理裂紋在｛100｝晶面上擴(kuò)展遇到形變孿晶時(shí)，裂紋轉(zhuǎn)移到｛112｝孿晶面上擴(kuò)展一短距離后,重新回到｛100｝晶面時(shí)，就會(huì)形成“舌狀”花樣[1]。拉伸試樣心部斷口形貌表明，斷口心部具有準(zhǔn)解理和解理特征；同時(shí)可以看出，拉伸斷口心部區(qū)域斷裂是沿晶和穿晶脆性斷裂，并伴有沿晶和穿晶二次裂紋。斷口邊部剪切唇斷口形貌為具有方向性的細(xì)小剪切韌窩，并且韌窩底部無(wú)夾雜物，拉伸試樣邊部斷裂是韌性斷裂。因此，60Si2MnA鋼拉伸脆斷斷口形貌具有氫致開(kāi)裂特征[2]。

3 檢驗(yàn)結(jié)果分析

理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，60Si2MnA鋼拉伸試樣的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼的原始組織良好，晶粒細(xì)小，非金屬夾雜物也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，熱處理樣顯微組織也符合彈簧鋼熱處理后顯微組織要求。綜合分析認(rèn)為以上因素都不是導(dǎo)致60Si2MnA彈簧圓鋼拉伸脆斷的原因。氣體含量檢測(cè)表明，圓鋼中的N、H含量較高。60Si2MnA彈簧圓鋼的生產(chǎn)工藝為：LD轉(zhuǎn)爐→LF精煉爐→CC連鑄→軋制，沒(méi)有進(jìn)RH爐進(jìn)行真空脫氣處理，鋼的原始低倍組織表明鋼的心部有細(xì)小微裂紋，拉伸試樣鋼的心部組織也有微裂紋，這種情況說(shuō)明熱處理后拉伸試樣心部微裂紋應(yīng)該就是60Si2MnA彈簧圓鋼原始母材低倍心部微裂紋。低倍表明該彈簧鋼心部微裂紋有多個(gè)，形貌細(xì)小、剛挺，并且穿晶，這符合氫致裂紋的典型特征。同時(shí)斷口電鏡掃描表明斷口心部具有準(zhǔn)解理和解理斷裂特征，心部區(qū)域斷裂是沿晶和穿晶混合脆性斷裂，并伴有沿晶和穿晶二次裂紋，而拉伸試樣邊部斷裂是韌性斷裂，這也符合氫致開(kāi)裂特征。以上分析結(jié)果都表明拉伸斷口具有氫致開(kāi)裂特征。

氫致裂紋與白點(diǎn)[3-5]的產(chǎn)生原因類似，一般認(rèn)為與鋼材中氫含量較高有關(guān)。由于鋼材中氫原子脫溶、聚集結(jié)合成氫分子，產(chǎn)生極大的壓力，與熱應(yīng)力、組織應(yīng)力或其他外力相互疊加，容易在鋼中尤其是心部形成氫致裂紋，在做拉伸試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)致圓鋼拉伸脆斷。同時(shí)60Si2MnA彈簧圓鋼氮含量也比較高，氮含量高容易造成鋼質(zhì)發(fā)脆，在某種程度也容易造成拉拔脆斷。60Si2MnA屬于高強(qiáng)度合金彈簧鋼，強(qiáng)度對(duì)氫的敏感性較強(qiáng)，即使在H含量不是太高的情況下，也容易在鋼中形成氫致裂紋。

由于H的作用，60Si2MnA彈簧圓鋼內(nèi)部尤其是心部容易形成氫致裂紋，在拉伸過(guò)程中，隨著應(yīng)力的增加，試樣會(huì)以氫致裂紋為裂紋源迅速進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)再加上鋼中N含量也比較高，鋼質(zhì)具有一定的脆性，在做拉伸試驗(yàn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生拉伸脆斷。

4 結(jié)語(yǔ)

Φ30mm規(guī)格60Si2MnA彈簧圓鋼拉伸脆斷是由于氫的作用在拉伸試樣內(nèi)部形成氫致裂紋，拉伸時(shí)隨著應(yīng)力的增加，試樣以氫致裂紋為裂紋源迅速擴(kuò)展，同時(shí)由于鋼中較高的氮含量，鋼質(zhì)具有一定的脆性，兩者共同作用，造成在60Si2MnA彈簧圓鋼做拉伸試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生拉伸脆斷。生產(chǎn)60Si2MnA彈簧圓鋼時(shí)，連鑄坯料必須要經(jīng)過(guò)RH爐進(jìn)行真空脫氣處理，必要時(shí)彈簧圓鋼熱軋后要放入緩冷坑進(jìn)行緩冷處理，只有這樣才能生產(chǎn)出性能合格的產(chǎn)品。

在此基礎(chǔ)上，青島特鋼進(jìn)行了第二次同規(guī)格60Si2MnA彈簧圓鋼生產(chǎn)，生產(chǎn)連鑄坯料經(jīng)過(guò)RH爐真空脫氣處理，成品氣體檢測(cè)表明，O含量7×10-6，N含量40×10-6，H含量1.10×10-6，氮?dú)浜坑辛舜蠓档停黜?xiàng)性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，沒(méi)有再出現(xiàn)拉伸脆斷現(xiàn)象，客戶使用后，反饋良好。

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[2] 鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué) [M].北京：高等教育出版社，2006：270-290.

[3] 姜錫山，趙晗.鋼鐵顯微斷口速查手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：182-191.

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[5] 趙堅(jiān)，趙琳.優(yōu)質(zhì)鋼缺陷[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991.

To the problem of tensile brittle failure of 60Si2MnA spring round bar in the tensile check,the fracturemorphology of tensile sample after heat treatment were inspected and analyzed bymeans ofmetallographicmicroscope and scanning electronmicroscope（SEM)and In-spections were carried out on the chemical composition,macrostructure,microstructure,austenitic grain size of hot rolled state sample and In-spections also were carried out on the non-metallic inclusion,microstructure and O/N/H contents of tensile sample after heat treatment.The test results showed themicro-crack induced by the H in the core of the hot rolled round bar and N content which was comparatively higher in the spring round bar were the reasons caused the tensile brittle failure of 60Si2MnA spring round bar in the tensile check.

60Si2MnA spring round bar;tensile brittle failure;N content;hydrogen induced cracking

Analysis on the Cause of Tensile Brittle Failure of 60Si2MnA Spring Round Bar

LI Xiangcai,TIAN Wenqing
（Round Bar Research Institute,Qingdao Special Iron and Steel Co.,Ltd.,Qingdao 266400,China）

TG142.1+5

A

1004-4620（2017）04-0036-03

2017-03-13

李祥才，男，1976年生，2008年畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)材料加工工程專業(yè)，碩士。現(xiàn)為青島特鋼棒材研究所工程師，從事特鋼研發(fā)與生產(chǎn)工作。