摘 要:某60Si2Mn鋼盤條在卷簧過程中發生斷裂。采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、 夾雜物分析、掃描電鏡分析等方法對該盤條的斷裂原因進行分析。結果表明:在卷簧前及卷簧初期 的拉拔過程中,盤條表面受到了嚴重的擠壓或擦蹭,使組織變形,并形成了隱晶馬氏體;在后續的拉 拔過程中,盤條內部應力集中處萌生了微裂紋,裂紋不斷擴展,最終導致盤條斷裂。
關鍵詞:60Si2Mn鋼;盤條;硬相組織;隱晶馬氏體
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)07-0058-03
60Si2Mn鋼是一種硅錳彈簧鋼,具有較高的疲勞 強度和屈服強度、較好的韌性和塑性,在承受載荷時不 易發生塑性變形,其廣泛應用于制作扁形彈簧、螺旋彈 簧、耐熱彈簧、大型卷制彈簧等構件[1-2]。彈簧鋼的化 學成分、尺寸、橢圓度、表面質量等對其性能及使用壽 命都有較大影響,因此需嚴格控制彈簧鋼的質量。
60Si2Mn鋼是一種硅錳彈簧鋼,具有較高的疲勞 強度和屈服強度、較好的韌性和塑性,在承受載荷時不 易發生塑性變形,其廣泛應用于制作扁形彈簧、螺旋彈 簧、耐熱彈簧、大型卷制彈簧等構件[1-2]。彈簧鋼的化 學成分、尺寸、橢圓度、表面質量等對其性能及使用壽 命都有較大影響,因此需嚴格控制彈簧鋼的質量。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
在斷裂盤條的斷口處取樣,對試樣進行宏觀觀 察,結果如圖1所示。由圖1可知:斷口為典型斜茬 斷口,斷裂起始于盤條表面,沿著垂直于長度方向擴 展;斷口擴展區域基本齊平,末端呈撕裂狀,并形成 斜茬;斷裂源區試樣表面有明顯擦蹭痕跡,表面氧化 鐵皮已脫落,露出純金屬光澤。
1.2 化學成分分析
在斷裂盤條上取樣,利用直讀光譜儀對試樣進 行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:該 斷裂盤條的化學成分滿足GB/T1222—2016《彈簧 鋼》的要求。
1.3 金相檢驗
沿斷裂盤條的橫向截取試樣,將試樣進行磨 制、拋光處理,然后用4%(體積分數)的硝酸乙醇 溶液腐蝕試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結 果如圖2所示。由圖2可知:試樣整體組織為珠 光體+鐵素體,滿足產品技術要求;在試樣邊緣處 可見組織受到嚴重的擠壓而發生變形,斷裂處已 經出現相對基體明顯發亮的硬相組織,即隱晶馬 氏體。
1.4 夾雜物分析
按照GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物 含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》,將對斷裂盤 條進行縱向切割后取樣,將試樣進行磨制、拋光后, 對試樣中的夾雜物進行分析,結果如表2所示,可見 該盤條的夾雜物滿足GB/T1222—2016的要求。
1.5 掃描電鏡(SEM)分析
在斷裂盤條的斷口處取樣,將試樣用乙醇超聲 清洗,然后置于掃描電鏡下觀察,結果如圖3所示。 由圖3可知:裂紋源處較平,斷口發生嚴重變形,并 可見細碎的韌窩;試樣表面的擦蹭變形痕跡明顯,擴 展區呈典型的脆性解理形貌特征;裂紋源處的試樣 表面有正向擠壓變形痕跡,在變形位置有垂直于試 樣軋制方向的成排橫向裂紋。
2 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知:斷裂盤條的化學成 分、顯微組織均滿足標準要求;斷裂源處盤條表面有 明顯的擦蹭變形痕跡,變形處有成排的橫向裂紋;斷 口處的變形程度較嚴重,并可見細碎的韌窩;斷裂源 處可見發亮的硬相組織[3]。當金屬材料受到外力的 大力擦蹭或擠壓時,組織會發生塑性變形。在變形 過程中,晶粒發生滑移,產生大量的位錯,位錯積塞 導致晶粒在垂直或平行于拉力方向上拉長、纖維化、 破碎,并在該位置產生極大的應力,使變形處的硬度 和強度增大,塑性和韌性降低。在拉拔卷簧的過程 中,該位置易萌生裂紋并不斷擴展,最終導致材料發 生斷裂。
當金屬表面受到擦蹭力作用時,受力位置的溫 度會急劇上升,嚴重時可達到材料的奧氏體化溫度, 奧氏體晶粒內部的碳元素分布不均,導致材料內部 不同區域的馬氏體轉變溫度不同;擦蹭過程持續時 間較短,奧氏體化不均勻,晶粒在高溫狀態下發生瞬 間冷卻,導致晶粒沒有及時恢復、長大;材料內部發 生組織切變時,馬氏體轉變溫度不同,導致新的組織 在奧氏體微區邊界上形核,最終得到了晶粒度很小 的淬火馬氏體,該類馬氏體尺寸較小,不能在顯微鏡 下被觀察到,故稱其為隱晶馬氏體[4-5]。馬氏體的硬 度高、塑性差,在受到拉拔力時,該區域產生應力集 中并萌生裂紋。
在盤條打包過程中,若打包線與基體之間無防 護措施,盤條表面容易發生瞬間碰撞和擦蹭,導致接 觸位置發生變形[6],并形成淬火組織。在裝車和運 輸過程中,盤條與磁性材料之間易發生摩擦碰撞,產 生瞬時高溫,形成淬火組織;在校直過程中,盤條橢 圓度控制不當會導致盤條與設備之間發生異常摩 擦,摩擦過程中發生組織變形,并產生極大的內能, 使材料瞬間完成局部淬火,形成了隱晶馬氏體。
3 結論與建議
60Si2Mn鋼盤條的斷裂原因為:在卷簧前及卷 簧初期的拉拔過程中,盤條表面受到了擦蹭,組織發 生嚴重變形,并形成了隱晶馬氏體,在拉拔力的作用 下,裂紋在該處萌生并不斷擴展,最終導致盤條 斷裂。
建議在材料打包過程中,在打包線和盤條之間 做好隔離防護工作;利用叉車調運時,防止發生嚴重 擦蹭,入庫時減少搬運;控制盤條的橢圓度,避免其 與設備之間發生局部異常摩擦。
參考文獻:
[1] 陳禮清,王帥,趙陽.超高強韌彈簧鋼及其研究現狀和 發展趨勢[J].材料與冶金學報,2022,21(5):313- 322.
[2] 孫萌,姜周華,李陽,等.汽車懸架用彈簧鋼55SiCr制 備技術的研究進展[J].中國冶金,2022,32(10):25- 37.
[3] 劉瑩,田慶榮,陳國慶,等.淺析SWRH82B盤條拉拔 斷口典型形貌及特征[J].天津冶金,2011(4):61-63, 70.
[4] 劉宗昌,計云萍,任慧平.近幾年馬氏體相變研究的進 展[J].熱處理,2011,26(6):1-8.
[5] 陳治娟,王學前,劉惠南,等.隱晶馬氏體形成規律的 試驗研究[J].吉林工業大學學報,1982,12(2):39- 46.
[6] 邱容容,陳澤平,謝斌,等.82B高碳鋼熱軋盤條心部 異常組織分析及改善措施[J].理化檢驗(物理分冊), 2019,55(6):381-384.