45圓鋼拉拔斷裂原因分析

莊 浩 齊曉峰 關(guān)春立 畢洪志 張 朋

用戶在將通化鋼鐵股份有限公司（簡(jiǎn)稱通鋼）生產(chǎn)的Φ30mm規(guī)格45圓鋼進(jìn)行冷拔加工成邊長為15mm的六棱柱產(chǎn)品過程中發(fā)生斷裂，其加工工藝為酸洗—潤滑—拉拔（單線單條拉拔機(jī)，拉拔2次）—切頭—驗(yàn)收—包裝入庫。為找出拉拔斷裂的原因，對(duì)斷裂的45圓鋼進(jìn)行了化學(xué)成分、表面酸洗、金相分析和硬度檢驗(yàn)，最終找出了45圓鋼拉拔斷裂的原因。

1.斷裂情況

通鋼45圓鋼冷拔加工的六棱柱產(chǎn)品的斷口平直，有金屬光澤，無明顯的塑性變形，可判斷為脆性斷裂。類斷裂的裂紋源應(yīng)在試樣外表面，進(jìn)一步受力后裂紋向試樣內(nèi)部擴(kuò)展，最后斷裂。其產(chǎn)生原因有2種：一是原材裂紋深且較多，在后期拉拔過程中裂紋處開裂；二是拉拔過程中鋼表面缺少有效的潤滑，與磨具直接摩擦，導(dǎo)致表面產(chǎn)生橫向裂紋進(jìn)而引起斷裂[1]。

2.理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

從斷裂樣品上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

表1 斷裂樣品的化學(xué)成分 %

2.2 表面酸洗

仔細(xì)觀察斷裂的六棱柱產(chǎn)品外表面，發(fā)現(xiàn)有1個(gè)表面與另外5個(gè)表面的顏色明顯不同，即白色的亮帶。白亮帶內(nèi)疑似有細(xì)小的橫向裂紋，而在正常區(qū)未見橫向裂紋。斷裂的六棱柱產(chǎn)品酸洗后表面白亮帶內(nèi)分布有密集的橫向裂紋，而在正常區(qū)不存在裂紋。

2.3 金相檢驗(yàn)

將試樣的橫斷面和縱斷面拋光，利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行檢驗(yàn)?？v斷面的 A、B、C、D 類非金屬夾雜物檢驗(yàn)等級(jí)分別為1.0、0.5、0.5、0.5級(jí)，未見異常夾雜物。用濃度為3%的硝酸酒精分別對(duì)橫斷面和縱斷面腐蝕后進(jìn)行金相檢驗(yàn)，可見六棱柱產(chǎn)品縱斷面的組織呈珠光體與鐵素體沿加工方向變形伸長的形貌。

對(duì)六棱柱產(chǎn)品表面正常區(qū)和白亮帶內(nèi)的橫向裂紋進(jìn)行金相檢驗(yàn)，其特點(diǎn)：

（1）白亮帶屬異常組織，鋼材在冷加工時(shí)，晶粒間產(chǎn)生滑移的同時(shí)，晶粒形狀發(fā)生改變，在滑移區(qū)域受力過大，導(dǎo)致晶粒破碎，晶格歪扭，最終導(dǎo)致鋼的塑性降低。而無橫向裂紋的邊部未見異常組織。

（2）白亮帶與基體界限明顯，無過渡區(qū)，深度約為40μm，裂紋沿?cái)嗔训陌琢翈騼?nèi)部擴(kuò)展。裂紋周圍無異常組織，無高溫氧化特性，且裂紋將晶粒撕裂。

表2 拉拔開裂試樣的表面異常組織與基體顯微硬度（HV）對(duì)比

表3 常見金相組織硬度（HV）

2.4 硬度檢驗(yàn)

由于拉拔開裂試樣的表面存在異常組織，為確定異常組織的類型，對(duì)異常組織的表面進(jìn)行了硬度檢驗(yàn),見表2。常見金相組織硬度見表3。

由表2、表3可見，拉拔開裂試樣表面異常組織的硬度和馬氏體硬度接近，因此，可以確定異常組織是在拉拔過程中形成的馬氏體。

常溫下45圓鋼的組織為鐵素體+珠光體，按相變規(guī)律，組織只有先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，再以足夠的速度快冷才能發(fā)生馬氏體相變。拉拔時(shí)鋼與模具的接觸處潤滑條件差，摩擦熱可使鋼表面薄層在千分之幾秒內(nèi)迅速升溫到700℃或更高；另一方面，模具對(duì)鋼的壓力能使奧氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)下移，既降低奧氏體化溫度，這能推遲珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)間，同時(shí)有利于馬氏體相變。據(jù)此分析，當(dāng)拉拔過程中潤滑效果差時(shí)，鋼與模具之間的劇烈摩擦變形完全可以提供鋼表層奧氏體化所需的相變驅(qū)動(dòng)力[2]。

鋼表面形成的高溫區(qū)域（700℃以上）體積很小，當(dāng)與鋼基體進(jìn)行熱傳導(dǎo)時(shí)能形成很高的溫度梯度，這為馬氏體相變提供了所需的過冷度，同時(shí)鋼表面已奧氏體化的區(qū)域在應(yīng)力的作用下也會(huì)誘發(fā)馬氏體相變[3]。

3.原因分析

由以上檢測(cè)結(jié)果可知，斷裂的45圓鋼化學(xué)成分和內(nèi)部金相組織正常，樣品表面白亮帶內(nèi)存在密集的橫向裂紋，橫向裂紋周圍無異常組織，無高溫氧化特性，并且裂紋將晶粒撕裂，白亮帶部分的表面有組織沿著拉拔方向明顯流動(dòng)的跡象，而試樣內(nèi)部組織沒有這種變化，這說明橫向裂紋不是45圓鋼原有的，而是在冷拔過程中由于潤滑不良形成的[4]。

通過硬度檢驗(yàn)確定白亮帶內(nèi)的異常組織為馬氏體，其表層表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度高以及塑性與韌性差的特征；而基體顯微組織為正常的鐵素體+珠光體，其表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度較低以及塑性與韌性較好的特征。表層的馬氏體屬于硬而脆的第二相粒子，從而提高了材料的強(qiáng)度，降低了材料的韌性[5]。鋼中存在這2種不同組織而造成塑性和韌性差別較大，在縱向拉拔外力的作用下，2種組織變形不一致，表層馬氏體組織的變形跟不上基體鐵素體+珠光體組織的變形，致使表層馬氏體組織變形中斷而產(chǎn)生開裂，最終導(dǎo)致45圓鋼拉拔斷裂。

4.結(jié)語

45圓鋼經(jīng)拉拔后局部出現(xiàn)白亮帶，其內(nèi)部組織異常，通過硬度檢驗(yàn)確定異常組織為馬氏體。此類組織硬度高、脆性大，在拉應(yīng)力的作用下極易開裂，裂紋貫穿整個(gè)馬氏體層，并擴(kuò)展至正常組織區(qū)。根據(jù)馬氏體產(chǎn)生的原因及機(jī)理，防止其生成的根本措施是保證拉拔過程鋼表面潤滑條件良好。