張瑞鋒 韓 燕 喬 堅(jiān)

(中國第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

韌性是金屬材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，它是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。在力學(xué)試驗(yàn)中，沖擊韌性是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，幾乎所有金屬材料都要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。如果材料的沖擊韌性差，那么，在工作載荷與內(nèi)應(yīng)力作用下材料抵抗變形能力將變?nèi)?，甚至發(fā)生突發(fā)的脆性斷裂事故，造成極大的危害，所以，改善材料的韌性至關(guān)重要。受工作環(huán)境以及各種材料本身特性的影響，沖擊韌性要求技術(shù)要求值存在很大差別。例如：核電壓力容器鍛件要求-20℃低溫時(shí)，沖擊平均值在50 J左右，而電鏟杠桿鑄鋼件要求常溫時(shí)的沖擊值為32 J。

我公司生產(chǎn)的一支電鏟杠桿，材料標(biāo)準(zhǔn)為P&H28A的鎳-鉻-鉬合金鑄鋼，經(jīng)過擴(kuò)散退火、正火、調(diào)質(zhì)處理后，在工件心部套料取樣進(jìn)行常溫沖擊試驗(yàn)，最小沖擊值只有7 J，低于技術(shù)要求值(32 J)。為找到?jīng)_擊值不合格的原因，對(duì)兩沖擊殘樣進(jìn)行如下分析：A試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)及化學(xué)成分分析，B試樣進(jìn)行斷口及能譜分析。

1 理化檢驗(yàn)結(jié)果

1.1 金相檢驗(yàn)

對(duì)A試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果表明：其夾雜物含量為A0.5，B0.5，C1，D0.5，DS0(技術(shù)要求A、B、C、D、DS≤3)；其晶粒度為7.5級(jí)(技術(shù)要求≥3)，見圖1?？梢钥闯?，夾雜物及晶粒度均在技術(shù)要求范圍之內(nèi)。其顯微組織有粗大的白色網(wǎng)狀組織形成，見圖2，進(jìn)一步放大觀察發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)狀組織為沿原始粗大晶界形成的碳化物，其附近還存在一些細(xì)小的顆粒狀碳化物，見圖3箭頭標(biāo)注處?；w組織呈羽毛狀的回火貝氏體，以及一些更為細(xì)小的彌散碳化物，見圖4。

1.2 化學(xué)成分分析

在A試樣取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表 1，合金元素碳、鉬、鉻均超出標(biāo)準(zhǔn)范圍上限，其它元素在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

1.3 斷口及能譜分析

利用掃描電鏡對(duì)B試樣進(jìn)行斷口分析，其宏觀形貌呈脆性結(jié)晶狀，未發(fā)生塑性變形，無剪切唇形成，見圖5，在斷口右半及下半?yún)^(qū)形成沿原始粗大晶界的斷裂特征。在起裂區(qū)靠近V型口中部存在一處明顯的缺陷，見圖中箭頭標(biāo)注處，另外，斷口起裂區(qū)已貫穿到V型口的上邊緣。對(duì)缺陷放大觀察，其性質(zhì)為顯微孔隙，有明顯的自由表面特征，見圖6。

圖1 A試樣晶粒度 圖2 A試樣顯微組織Figure 1 Grain size of specimen A Figure 2 Microstructure of specimen A

圖3 網(wǎng)狀及顆粒狀碳化物 圖4 高倍數(shù)下的基體顯微組織 Figure 3 Network and granuliform carbide Figure 4 Microstructure of basal body at high-magnification

合金元素CSiMoCrMnNi實(shí)測值0.480.560.851.151.251.76標(biāo)準(zhǔn)范圍0.23～0.280.30～0.800.40～0.500.60～1.000.75～1.251.50～2.00

在斷口放射區(qū)以及沿晶斷面上形成類似羽毛狀的特征，見圖7、圖8。因材料本身脆性較大，斷裂時(shí)容易保持這種上貝氏體形貌特征。斷口的斷裂過程以準(zhǔn)解理方式進(jìn)行擴(kuò)展，其形貌呈碎片狀。應(yīng)用能譜儀分析沿晶斷面及基體，結(jié)果顯示其成分譜線中碳以及碳化物形成元素鉻、鉬等峰值相對(duì)基體偏高，見圖9、圖10，這表明在沿晶斷面存在成分偏析。此外，沿晶斷面上未發(fā)現(xiàn)硅、鎳元素的譜峰。

圖5 斷口低倍形貌 圖6 缺陷區(qū)域微觀形貌Figure 5 Macroscopic appearance of fracture Figure 6 Microscopic appearance of defect area

圖7 斷口放射區(qū)微觀形貌 圖8 沿晶斷面微觀形貌 Figure 7 Microscopic appearance Figure 8 Microscopic appearance of fracture of radiation area at fracture along with the grain boundary

圖9 沿晶斷面成分能譜圖 圖10 基體成分能譜圖Figure 9 Composition energy spectrum sketch of fracture Figure 10 Composition energy spectrum long with the grain boundary sketch of basal body

2 分析與討論

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，試樣夾雜物含量較少，實(shí)際晶粒細(xì)小，對(duì)降低沖擊值影響很小。顯微組織中存在沿原始奧氏體晶界形成的網(wǎng)狀碳化物，該碳化物網(wǎng)形成的晶粒級(jí)別小于00級(jí)，屬于粗大晶粒，可見其并非最終熱處理時(shí)形成的晶界，而是前期熱處理后形成的粗大的奧氏體晶界。由于該工件在鑄造后晶粒已較為粗大，為消除凝固過程中產(chǎn)生的枝晶偏析及區(qū)域偏析，使成分和組織均勻化，并使各合金元素在奧氏體中充分?jǐn)U散，需進(jìn)行擴(kuò)散退火，而擴(kuò)散退火加熱溫度很高，奧氏體化后保溫時(shí)間很長，所以導(dǎo)致晶粒在鑄后粗大的基礎(chǔ)上進(jìn)一步長大。碳化物網(wǎng)圍成的晶粒即為擴(kuò)散退火的結(jié)果。

化學(xué)成分分析結(jié)果表明，試樣所處的心部存在一定程度的碳偏析，由于鉬、鉻與碳的結(jié)合力較強(qiáng)，形成碳化物，所以這些元素含量也超出了標(biāo)準(zhǔn)范圍。

工件在退火冷卻過程中，由于冷卻速度較慢，導(dǎo)致碳向晶界擴(kuò)散，并以碳化物形式析出，隨著冷卻時(shí)間的增加，碳化物沿晶界的形狀形成斷續(xù)的線，逐漸在晶界連成網(wǎng)，最終形成網(wǎng)狀碳化物。

工件完成退火后，需進(jìn)行正火處理，其目的是細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力及碳偏析引起的網(wǎng)狀碳化物。從實(shí)際晶粒度為7.5級(jí)分析，正火處理雖然起到了細(xì)化晶粒的作用，但是粗大的網(wǎng)狀碳化物卻未消除。這是由于正火加熱到奧氏體化后，溫度偏低或保溫時(shí)間不夠，導(dǎo)致碳化物未充分溶解于奧氏體中，最終保留至室溫。顯微組織中未發(fā)現(xiàn)沿實(shí)際晶界形成的網(wǎng)狀碳化物，說明正火冷卻速度較快。

斷口分析結(jié)果表明，粗大的沿晶斷裂特征，是由網(wǎng)狀碳化物引起的，因?yàn)槠湔脤?duì)應(yīng)顯微組織中沿原始奧氏體晶界形成的網(wǎng)狀碳化物。碳化物是硬而脆的相，使晶粒之間的連續(xù)性遭到破壞，嚴(yán)重地降低鋼的沖擊韌性，致使沖擊值只有7 J。此外，沖擊試驗(yàn)時(shí)，在斷口起裂區(qū)靠近V型口中部存在的顯微孔隙會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而造成沖擊值偏低。

能譜分析結(jié)果表明, 粗大的沿晶斷面上碳及鉻、鉬等碳化物形成元素相對(duì)基體含量較高。雖然在沖擊試驗(yàn)過程中，伴隨著斷裂的過程，網(wǎng)狀碳化物發(fā)生脫落，但是由于碳及鉻、鉬等元素未充分?jǐn)U散到原始晶界上，必然會(huì)殘留一部分在晶界附近形成碳化物，顯微組織中網(wǎng)狀碳化物附近形成的細(xì)小顆粒狀碳化物可以說明這一點(diǎn)。此外，能譜分析沿晶斷面時(shí)，未出現(xiàn)硅、鎳等非碳化物形成元素的譜峰，也可反向證明碳化物的存在。

3 結(jié)論及建議

(1)該電鏟杠桿在擴(kuò)散退火冷卻過程中，由于冷卻速度太慢，導(dǎo)致碳化物在晶界析出，形成粗大的網(wǎng)狀碳化物。隨后的正火加熱保溫過程中，未使碳化物充分溶解于奧氏體中，仍保留斷續(xù)的原始網(wǎng)狀碳化物，使晶粒之間的連續(xù)性遭到破壞，在沖擊試驗(yàn)時(shí)，導(dǎo)致沖擊值嚴(yán)重降低。同時(shí)，沖擊試樣V型口中部存在的顯微孔隙也對(duì)沖擊值偏低有一定影響。

(2)建議提高該產(chǎn)品件擴(kuò)散退火冷卻速度，尤其提高其心部冷卻速度，防止碳化物在晶界析出，或者在正火時(shí)，使碳化物充分溶解于奧氏體中，然后采用較快的速度冷卻。

[1] 崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 大型鑄鍛件行業(yè)協(xié)會(huì).大型鑄鍛件缺陷分析圖譜.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[3] 束德林.金屬力學(xué)性能.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.10.