摘 要:為了分析35CrMnSi低合金高強度鋼在拉伸試驗中斷面收縮率偏低的原因,利用直讀 光譜儀、氧氮氫分析儀、金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等對拉伸試樣的成分、殘余氫、顯微組織、斷 口形貌、夾雜物等進行了觀察和分析。結(jié)果表明:35CrMnSi鋼拉伸試樣中存在一定量氫,在拉伸 應(yīng)力的共同作用下,產(chǎn)生的“魚眼”缺陷是導(dǎo)致拉伸試樣斷面收縮率偏低的主要原因。
關(guān)鍵詞:拉伸斷口;缺陷;顯微孔洞
中圖分類號:TG115.5 文獻標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)02-0076-03 。
35CrMnSi低合金超高強度鋼具有高強度、高 韌性、良好的淬透性和焊接性,是一種力學(xué)性能優(yōu)良 的結(jié)構(gòu)用鋼,一般用于制造高強度、高韌性的零件及 構(gòu)件。二次淬火+低溫回火的熱處理工藝可使得該 鋼的強度及韌性提高,且具有良好的綜合力學(xué)性能。
對某批經(jīng)過熱 處 理 后 的?100 mm 35CrMnSi 鋼進行拉伸試驗時發(fā)現(xiàn),拉伸試樣的斷面收縮率整 體偏低,個別試樣的斷面收縮率甚至低于技術(shù)協(xié)議 要求值,統(tǒng)計了40多個拉伸試樣,其中斷面收縮率 偏低 (富 余 量 ≤3%)的 占 79.5%。 筆 者 對 該 35CrMnSi鋼進行分析,查找斷面收縮率偏低的原 因。試驗材料為經(jīng)過二次淬火 + 低溫回火處理的 35CrMnSi熱軋圓鋼拉伸后試樣。第一次淬火溫度 為950 ℃,保溫時間為45 min;第二次淬火溫度為 890 ℃,保溫時間為45min;最后在230℃時進行低 溫回火,保溫時間為120 min。筆者利用直讀光譜 儀、氧氮氫分析儀、金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀 等對拉伸試樣的成分、殘余氫、顯微組織、斷口形貌、 夾雜物等進行了觀察和分析。
1 理化檢驗
1.1 宏觀檢驗
對拉伸試樣斷口(見圖1)進行觀察,右側(cè)框內(nèi) 是斷面收縮率剛超過合格臨界線的拉伸試樣斷口,斷口中心的纖維區(qū)與左邊平臺稍有起伏,外側(cè)為剪 切唇,沒有放射區(qū)。
1.2 化學(xué)成分分析
從斷面收 縮 率 偏 低 的 30 多 個 拉 伸 試 樣 的 未 變形部分取樣,采用 ARL4460型直讀光譜檢測儀 進行化學(xué) 成 分 分 析,結(jié) 果 如 表 1 所 示。由 表 1 可 知,試樣的化學(xué)成分均符合 GB/T3077—2015《合 金結(jié)構(gòu)鋼》要 求。對 拉 斷 后 的 5 個 拉 伸 試 樣 中 的 殘余 氫 含 量 進 行 檢 測,得 到 其 質(zhì) 量 分 數(shù) 均 約 為 0.6×10 -6。
1.3 金相檢驗
將拉伸試樣未變形部分所取試樣進行磨平、粗 磨、細磨和拋光,用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液 浸蝕處理,使用光學(xué)顯微鏡觀察試樣橫、縱截面的顯 微組織。拉伸試樣縱截面顯微組織形貌如圖 2 所 示,經(jīng)過兩次淬火+低溫回火后,材料的顯微組織為 回火馬氏體,由圖2a)可知,顯微組織存在不均勻現(xiàn) 象。顯微組織中有明顯的淺色條帶,且淺色區(qū)域含 有大量的 A 類夾雜物以及少量的橘黃色夾雜物,經(jīng) 能譜檢測,其成分主要是硫化錳和氮化鈦。
1.4 斷口分析
在拉伸試樣斷口側(cè)取樣,對多個試樣進行超聲波 清洗后,將其置于掃描電鏡下觀察,拉伸試樣斷口的微 觀形貌如圖3所示。由圖3a)可以看出,拉伸試樣斷口 纖維區(qū)較平坦,局部區(qū)域含有數(shù)量不等、顏色襯度與韌 性斷裂基體不同的小區(qū)域。放大觀察纖維區(qū),發(fā)現(xiàn)整體呈韌性斷裂形貌,韌窩內(nèi)無夾雜物,周圍是等軸小韌 窩,但斷口上含有較多氣泡孔洞,放大可以看到氣泡壁 變形形成的褶皺形貌特征。對顏色與基體不同的區(qū)域 進行放大觀察,發(fā)現(xiàn)近似圓形的“魚眼”缺陷形貌,直徑 為幾十微米到幾百微米,其中心有一夾雜物或者氣孔, 夾雜物的周圍為氫脆準(zhǔn)解理斷裂形貌,有的“魚眼”區(qū) 域與周圍的韌性斷裂基體已經(jīng)分離。觀察沖擊試樣斷 口,未發(fā)現(xiàn)類似的形貌,斷口呈韌性斷裂特征,但韌窩 深度較淺且韌窩內(nèi)無夾雜物。對“魚眼”2缺陷區(qū)中的 夾雜物進行能譜分析,結(jié)果如圖4所示,可見夾雜物中 主要含鋁 、鈣 、硅、氧等元素,結(jié)合其形貌特征進行綜 合分析,得到該夾雜物是鋁的復(fù)合氧化物。
2 綜合分析
金相檢驗結(jié)果表明,經(jīng)過二次淬火+低溫回火 處理后,基體組織為回火馬氏體。縱截面的顯微組 織有輕微的條狀偏析,條帶淺色區(qū)中有富集的硫化 錳類夾雜物以及氮化鈦類夾雜物,說明材料存在一 定程度的顯微偏析、夾雜物及沉淀相等缺陷。
在掃描電鏡下觀察到拉伸試樣斷口纖維區(qū)上含 有較多氣泡、韌窩以及多處近似圓形的“魚眼”型缺 陷,其特征為中心有一暗色的核心,該核心是夾雜物 或者氣孔,周圍是氫脆準(zhǔn)解理特征。在沖擊試樣斷 口上未觀察到此類形貌,且在試樣上也沒有發(fā)現(xiàn)發(fā) 紋,這與“魚眼”氫損傷的特征一致[1-2]。拉伸試樣的 “魚眼”缺陷是一種可逆氫脆白點,有的資料中也稱 為拉伸白點[3],但由于“魚眼”尺寸較小,因此在拉伸 斷口上肉眼并未觀察到小亮點或白斑?！棒~眼”產(chǎn)生 的主要原因是鋼中含有一定數(shù)量的氫,但所含的氫 還不足以造成材料內(nèi)部開裂。一般鋼中的氫含量達 到5×10 6 以上就會產(chǎn)生氫致裂紋,但對于高強度的 鋼而言,即使氫含量低于1×10 -6,也會由于應(yīng)力的 交互作用發(fā)生氫脆[4]。
試樣在拉伸過程中,鋼中夾雜物、沉淀相、內(nèi)部 微小的孔洞、元素偏析形成的基體界面成為氫聚集 的場所。在試樣緩慢受力時,材料顯微組織和缺陷 的差異會引起不均勻形變,并導(dǎo)致夾雜物等缺陷周 圍的位錯塞積。隨著形變量的增大,微觀表現(xiàn)為位 錯滑移,當(dāng)攜帶氫運動的位錯遇到氫“陷阱”時發(fā)生 交互作用,在該微區(qū)形成高密度位錯和氫富集的狀 態(tài)。在較低的應(yīng)力作用下,氫聚集區(qū)的脆化區(qū)形核, 形成微裂紋并快速擴展,形成了與正應(yīng)力方向垂直 的圓點缺陷區(qū),即“魚眼”缺陷。如此反復(fù),便在斷口 上形成多個大小不一的“魚眼”缺陷,造成鋼材的塑 性指標(biāo)嚴(yán)重降低[5-6]。
3 結(jié)論及建議
35CrMnSi鋼拉伸試樣中存在一定量的氫,在拉伸應(yīng)力的共同作用下,缺陷區(qū)產(chǎn)生了“魚眼”缺陷, 該缺陷 是 導(dǎo) 致 拉 伸 試 樣 斷 面 收 縮 率 偏 低 的 主 要 原因。
建議改進煉鋼的冶煉工藝,減少鋼坯內(nèi)部夾雜 物和氣孔數(shù)量,降低成分偏析程度等,以進一步提高 鋼的內(nèi)在質(zhì)量;在陰雨天氣時,應(yīng)特別關(guān)注原料的質(zhì) 量,必要時應(yīng)對原料進行充分烘烤,以降低鋼中的氫 含量;對試樣進行去氫處理、自然時效處理等可降低 氫含量,以減少或避免魚眼型白點缺陷的產(chǎn)生,提高 產(chǎn)品的塑性和韌性。
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<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 2期 (pp:76-78)>
