50SiCrMo超高強(qiáng)度鋼板裂紋分析*

徐鴻昊，朱 斌，王春奕，張全新

重慶鋼鐵研究所有限公司，重慶 400084

50SiCrMo是一種超高強(qiáng)度馬氏體鋼，強(qiáng)度可超過(guò)2000MPa，由于其高強(qiáng)度和低韌性的特點(diǎn)，對(duì)該材料采用常規(guī)的機(jī)械加工方式已變得十分困難[1]。在某公司生產(chǎn)的50SiCrMo超高強(qiáng)度鋼板成型工藝中采用激光切割加工，切割后把鋼板于室溫下放置一定時(shí)間，在其中心部位出現(xiàn)沿軋制方向延伸的分層裂紋。鋼板的生產(chǎn)工藝為冶煉→澆注成坯→熱軋板卷→退火→開(kāi)卷→淬回火→激光切割成型。針對(duì)切割開(kāi)裂問(wèn)題，對(duì)鋼板進(jìn)行取樣檢驗(yàn)，結(jié)合生產(chǎn)工藝分析加工方法對(duì)材料組織的影響和裂紋形成原因，針對(duì)形成原因制定適宜的加工成型工藝和過(guò)程控制要點(diǎn)。

1 理化檢測(cè)

1.1 材質(zhì)和性能檢測(cè)

在分層裂紋部位切取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，并在開(kāi)裂鋼板附近的無(wú)裂紋擴(kuò)展部分切取完好試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如表1、表2所示。從檢測(cè)結(jié)果可知，鋼板化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 鋼板化學(xué)成分 單位：%

表2 鋼板力學(xué)性能

1.2 金相組織和裂紋觀察

對(duì)鋼板金相樣品進(jìn)行腐蝕后觀察基體組織，鋼板基體組織為回火馬氏體和少量殘余奧氏體組織，組織未見(jiàn)明顯異常，但鋼板中存在帶狀組織偏析現(xiàn)象，如圖1所示。從開(kāi)裂鋼板的宏觀低倍觀察得知，鋼板沿軋制方向呈現(xiàn)分層式開(kāi)裂，裂紋細(xì)小筆直，呈現(xiàn)典型的應(yīng)力裂紋特征，裂紋內(nèi)部開(kāi)裂面未發(fā)現(xiàn)氧化皮，裂紋附近未見(jiàn)非金屬夾雜物聚集和大顆粒夾雜物，夾雜物級(jí)別為A0.5、B0.5、C0.5、D1.0，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)裂紋試樣進(jìn)行金相組織高倍觀察，裂紋邊緣無(wú)氧化和脫碳，裂紋附近組織與未開(kāi)裂鋼板基體組織無(wú)明顯區(qū)別，但裂紋附近的組織也存在較明顯的帶狀偏析現(xiàn)象，如圖2所示。同時(shí)，在對(duì)裂紋試樣的激光切割表面的組織進(jìn)行觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，切割表層存在大量殘余奧氏體，試樣近表層的熱影響區(qū)為針狀馬氏體和殘余奧氏體組織，其內(nèi)部的殘奧含量與基體相比有明顯增多，如圖3所示。激光切割表面粗糙度較高，表面及近表組織中存在較多的微缺陷，如圖4所示。

圖1 基體組織及帶狀偏析

圖2 裂紋附近組織及激光切割表面

圖3 熱影響區(qū)的組織

圖4 切割表層的微缺陷

2 50SiCrMo超高強(qiáng)度鋼板裂紋分析

原材料質(zhì)量、熱加工、熱處理等都是決定鋼板質(zhì)量的重要因素，經(jīng)檢測(cè)分析得知，開(kāi)裂的鋼板在其裂紋附近未見(jiàn)非金屬夾雜物聚集和大顆粒夾雜物分布，開(kāi)裂鋼板的夾雜物級(jí)別、化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼板材質(zhì)未見(jiàn)異常，因此裂紋的形成與鋼板材質(zhì)和性能沒(méi)有直接關(guān)系。

50SiCrMo是屬于超高強(qiáng)度鋼，強(qiáng)度超過(guò)2000MPa，常規(guī)機(jī)加方式難以對(duì)鋼板進(jìn)行有效加工，開(kāi)裂的超高強(qiáng)度鋼板加工方式是激光切割，通過(guò)瞬間產(chǎn)生足以使鋼板氣化的高溫對(duì)鋼板進(jìn)行切割，切割溫度遠(yuǎn)高于材料奧氏體化溫度，在切割邊緣形成嚴(yán)重的過(guò)熱和過(guò)燒組織，在其近表產(chǎn)生熱影響區(qū)，切割部位附近2～3mm區(qū)域內(nèi)的組織發(fā)生局部相變，同時(shí)在切割后表面形成較多微缺陷。鋼板在切割時(shí)的高溫下形成穩(wěn)定的奧氏體，奧氏體在冷卻時(shí)不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，部分殘留在鋼板中，切割邊緣熱影響區(qū)組織內(nèi)部可見(jiàn)大量殘奧存在于馬氏體間隙中。殘奧硬度較低，與馬氏體相差較大，造成組織和硬度不均，形成組織應(yīng)力，加上切割時(shí)表面形成的微缺陷，使得鋼板更易在該處形成應(yīng)力集中，若未能及時(shí)回火，這種殘余應(yīng)力將無(wú)法消除而保留在鋼板切割表面[2]。

鋼板厚度中心部位存在較明顯的帶狀偏析，這將加重鋼板的開(kāi)裂傾向。在鋼的冶煉過(guò)程中，鋼錠或鋼坯的心部會(huì)有相對(duì)較為嚴(yán)重的成分和組織偏析，這種偏析通過(guò)熱處理無(wú)法消除，50SiCrMo的C、Si含量較高，而Si的偏聚會(huì)加重C的偏聚，造成鋼板成分和組織的偏析，因此鋼板心部的帶狀偏析較其他部位更為嚴(yán)重，這將加劇鋼板心部的開(kāi)裂趨勢(shì)[3]。軋制成材的鋼板中心部位是最為薄弱的部分，因此通常鋼板裂紋都在鋼板心部形成并沿縱向擴(kuò)展。鋼板在激光切割造成的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用下，其最為薄弱的中心部位切割表面和熱影響區(qū)形成應(yīng)力集中，當(dāng)這種應(yīng)力集中超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，心部會(huì)形成裂紋源并沿縱向逐漸擴(kuò)展，最終造成鋼板分層開(kāi)裂。

3 改進(jìn)措施

50SiCrMo鋼板切割加工開(kāi)裂將對(duì)后續(xù)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，應(yīng)針對(duì)鋼板開(kāi)裂原因制訂糾正預(yù)防措施，以避免問(wèn)題再次發(fā)生。

（1）在激光切割后及時(shí)對(duì)鋼板進(jìn)行低溫回火處理，以消除因激光高溫切割產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，避免在切割部位產(chǎn)生應(yīng)力集中。50SiCrMo鋼板含有較高的Si和Mo，回火穩(wěn)定性較高，對(duì)于此鋼種可適當(dāng)提高回火溫度，在充分消除應(yīng)力的同時(shí)，可以使殘奧充分轉(zhuǎn)化為馬氏體，保證鋼板的使用性能。

（2）帶狀偏析的根本原因是化學(xué)成分偏聚而導(dǎo)致珠光體和鐵素體的分布不均，應(yīng)提高鋼的冶煉質(zhì)量，減少成分和組織的偏析能有效抑制鋼板開(kāi)裂的傾向。

4 結(jié)論

（1）50SiCrMo鋼板采用激光切割產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力而在缺陷處形成應(yīng)力集中，這是鋼板開(kāi)裂的主要原因。

（2）鋼板中心部位的帶狀偏析，促進(jìn)和加重了鋼板分層開(kāi)裂的傾向。

（3）激光切割后及時(shí)進(jìn)行低溫回火能有效避免鋼板心部分層開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生，且不影響鋼板使用性能。