摘 要:为了分析35CrMnSi低合金高强度钢在拉伸试验中断面收缩率偏低的原因,利用直读 光谱仪、氧氮氢分析仪、金相显微镜、扫描电镜及能谱仪等对拉伸试样的成分、残余氢、显微组织、断 口形貌、夹杂物等进行了观察和分析。结果表明:35CrMnSi钢拉伸试样中存在一定量氢,在拉伸 应力的共同作用下,产生的“鱼眼”缺陷是导致拉伸试样断面收缩率偏低的主要原因。

关键词:拉伸断口;缺陷;显微孔洞

中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)02-0076-03

35CrMnSi低合金超高强度钢具有高强度、高 韧性、良好的淬透性和焊接性,是一种力学性能优良 的结构用钢,一般用于制造高强度、高韧性的零件及 构件。二次淬火+低温回火的热处理工艺可使得该 钢的强度及韧性提高,且具有良好的综合力学性能。

对某批经过热 处 理 后 的ϕ100 mm 35CrMnSi 钢进行拉伸试验时发现,拉伸试样的断面收缩率整 体偏低,个别试样的断面收缩率甚至低于技术协议 要求值,统计了40多个拉伸试样,其中断面收缩率 偏低 (富 余 量 ≤3%)的 占 79.5%。 笔 者 对 该 35CrMnSi钢进行分析,查找断面收缩率偏低的原 因。试验材料为经过二次淬火 + 低温回火处理的 35CrMnSi热轧圆钢拉伸后试样。第一次淬火温度 为950 ℃,保温时间为45 min;第二次淬火温度为 890 ℃,保温时间为45min;最后在230℃时进行低 温回火,保温时间为120 min。笔者利用直读光谱 仪、氧氮氢分析仪、金相显微镜、扫描电镜及能谱仪 等对拉伸试样的成分、残余氢、显微组织、断口形貌、 夹杂物等进行了观察和分析。

1 理化检验

1.1 宏观检验

对拉伸试样断口(见图1)进行观察,右侧框内 是断面收缩率刚超过合格临界线的拉伸试样断口,断口中心的纤维区与左边平台稍有起伏,外侧为剪 切唇,没有放射区。

1.2 化学成分分析

从断面收 缩 率 偏 低 的 30 多 个 拉 伸 试 样 的 未 变形部分取样,采用 ARL4460型直读光谱检测仪 进行化学 成 分 分 析,结 果 如 表 1 所 示。由 表 1 可 知,试样的化学成分均符合 GB/T3077—2015《合 金结构钢》要 求。对 拉 断 后 的 5 个 拉 伸 试 样 中 的 残余 氢 含 量 进 行 检 测,得 到 其 质 量 分 数 均 约 为 0.6×10 -6。

1.3 金相检验

将拉伸试样未变形部分所取试样进行磨平、粗 磨、细磨和抛光,用体积分数为4%的硝酸酒精溶液 浸蚀处理,使用光学显微镜观察试样横、纵截面的显 微组织。拉伸试样纵截面显微组织形貌如图 2 所 示,经过两次淬火+低温回火后,材料的显微组织为 回火马氏体,由图2a)可知,显微组织存在不均匀现 象。显微组织中有明显的浅色条带,且浅色区域含 有大量的 A 类夹杂物以及少量的橘黄色夹杂物,经 能谱检测,其成分主要是硫化锰和氮化钛。

1.4 断口分析

在拉伸试样断口侧取样,对多个试样进行超声波 清洗后,将其置于扫描电镜下观察,拉伸试样断口的微 观形貌如图3所示。由图3a)可以看出,拉伸试样断口 纤维区较平坦,局部区域含有数量不等、颜色衬度与韧 性断裂基体不同的小区域。放大观察纤维区,发现整体呈韧性断裂形貌,韧窝内无夹杂物,周围是等轴小韧 窝,但断口上含有较多气泡孔洞,放大可以看到气泡壁 变形形成的褶皱形貌特征。对颜色与基体不同的区域 进行放大观察,发现近似圆形的“鱼眼”缺陷形貌,直径 为几十微米到几百微米,其中心有一夹杂物或者气孔, 夹杂物的周围为氢脆准解理断裂形貌,有的“鱼眼”区 域与周围的韧性断裂基体已经分离。观察冲击试样断 口,未发现类似的形貌,断口呈韧性断裂特征,但韧窝 深度较浅且韧窝内无夹杂物。对“鱼眼”2缺陷区中的 夹杂物进行能谱分析,结果如图4所示,可见夹杂物中 主要含铝 、钙 、硅、氧等元素,结合其形貌特征进行综 合分析,得到该夹杂物是铝的复合氧化物。

2 综合分析

金相检验结果表明,经过二次淬火+低温回火 处理后,基体组织为回火马氏体。纵截面的显微组 织有轻微的条状偏析,条带浅色区中有富集的硫化 锰类夹杂物以及氮化钛类夹杂物,说明材料存在一 定程度的显微偏析、夹杂物及沉淀相等缺陷。

在扫描电镜下观察到拉伸试样断口纤维区上含 有较多气泡、韧窝以及多处近似圆形的“鱼眼”型缺 陷,其特征为中心有一暗色的核心,该核心是夹杂物 或者气孔,周围是氢脆准解理特征。在冲击试样断 口上未观察到此类形貌,且在试样上也没有发现发 纹,这与“鱼眼”氢损伤的特征一致[1-2]。拉伸试样的 “鱼眼”缺陷是一种可逆氢脆白点,有的资料中也称 为拉伸白点[3],但由于“鱼眼”尺寸较小,因此在拉伸 断口上肉眼并未观察到小亮点或白斑。“鱼眼”产生 的主要原因是钢中含有一定数量的氢,但所含的氢 还不足以造成材料内部开裂。一般钢中的氢含量达 到5×10 6 以上就会产生氢致裂纹,但对于高强度的 钢而言,即使氢含量低于1×10 -6,也会由于应力的 交互作用发生氢脆[4]。

试样在拉伸过程中,钢中夹杂物、沉淀相、内部 微小的孔洞、元素偏析形成的基体界面成为氢聚集 的场所。在试样缓慢受力时,材料显微组织和缺陷 的差异会引起不均匀形变,并导致夹杂物等缺陷周 围的位错塞积。随着形变量的增大,微观表现为位 错滑移,当携带氢运动的位错遇到氢“陷阱”时发生 交互作用,在该微区形成高密度位错和氢富集的状 态。在较低的应力作用下,氢聚集区的脆化区形核, 形成微裂纹并快速扩展,形成了与正应力方向垂直 的圆点缺陷区,即“鱼眼”缺陷。如此反复,便在断口 上形成多个大小不一的“鱼眼”缺陷,造成钢材的塑 性指标严重降低[5-6]。

3 结论及建议

35CrMnSi钢拉伸试样中存在一定量的氢,在拉伸应力的共同作用下,缺陷区产生了“鱼眼”缺陷, 该缺陷 是 导 致 拉 伸 试 样 断 面 收 缩 率 偏 低 的 主 要 原因。

建议改进炼钢的冶炼工艺,减少钢坯内部夹杂 物和气孔数量,降低成分偏析程度等,以进一步提高 钢的内在质量;在阴雨天气时,应特别关注原料的质 量,必要时应对原料进行充分烘烤,以降低钢中的氢 含量;对试样进行去氢处理、自然时效处理等可降低 氢含量,以减少或避免鱼眼型白点缺陷的产生,提高 产品的塑性和韧性。

参考文献:

[1] 隋然.白点及其检验[J].理化检验(物理分册),1997, 33(12):25-27.

[2] 牟小维,孙梅红,宁玫,等.氢损伤缺陷分析[J].天津 冶金,2007(1):21-22,49.

[3] 姜锡山,赵晗.钢铁显微断口速查手册[M].北京:机 械工业出版社,2010.

[4] 何玉怀.失效分析[M].北京:国防工业出版社,2017.

[5] 周兆瑜,吴英竹.KR柱赛(40Cr、42CrMo)拉伸试样断 口上白点分析[J].热加工工艺,1982,11(5):26-31.

[6] 罗恩洲,刘民治,陈廉,等.超高强度钢中拉伸白点的 形成[J].金属学报,1986,22(3):38-42.

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