謝國(guó)君 王 影 袁建宇 逄錦程 韓 露

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 采用120 mm 厚的45#鋼軋制板材經(jīng)粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，熱處理后超聲探傷發(fā)現(xiàn)鋼板厚度方向中部存在缺陷。通過(guò)失效分析認(rèn)為，鋼板內(nèi)部的缺陷為沿變形方向分布的帶狀組織，部分帶狀組織中存在沿晶裂紋。形成帶狀組織及裂紋的機(jī)理是原材料鋼錠澆鑄過(guò)程中心部形成枝晶偏析，軋制過(guò)程中偏析區(qū)被拉長(zhǎng)因而形成偏析條帶，條帶區(qū)因富含Mn、S、P等元素形成硬度較高的馬氏體組織，調(diào)質(zhì)熱處理過(guò)程中在組織應(yīng)力及熱應(yīng)力作用下馬氏體條帶組織區(qū)域發(fā)生沿晶脆性開裂。

0 引言

帶狀組織是鋼材內(nèi)部的一種缺陷，可分為一次和二次帶狀組織。在冶煉過(guò)程中，由于鋼水凝固時(shí)產(chǎn)生枝晶偏析所形成的原始帶狀組織稱為一次帶狀組織；鋼材在熱加工后冷卻所產(chǎn)生的沿軋制方向平行排列、呈層狀分布、形同條帶的組織稱為二次帶狀組織，即常講的帶狀組織。帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻，并嚴(yán)重影響其性能，降低塑性、沖擊韌性、斷裂韌性和斷面收縮率，造成冷彎不合格、沖壓廢品率高；熱處理時(shí)鋼材容易變形、淬火開裂［1-2］。本文對(duì)一種內(nèi)部存在缺陷的45#鋼板進(jìn)行失效分析，對(duì)缺陷的性質(zhì)及成因進(jìn)行判定，并分析帶狀組織的形成機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

研究對(duì)象為120 mm 厚的45#鋼板，經(jīng)軋制成型，鋼板在調(diào)質(zhì)熱處理后經(jīng)超聲探傷發(fā)現(xiàn)厚度方向中部存在缺陷，但不能確定缺陷的類型。主要設(shè)備為KEYENCE VHX-1000 視頻光學(xué)顯微鏡，F(xiàn)EI Quanta 650 FEG 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，Leica DM4000M 金相顯微鏡及Buehler顯微鏡硬度計(jì)。

1.2 形貌觀察與成分分析

采用機(jī)械方法從尺寸較大的缺陷部位取樣并將其打開，采用視頻光學(xué)顯微鏡對(duì)缺陷斷面進(jìn)行觀察，缺陷表面凹凸不平且粗糙，有金屬光澤、未見腐蝕及氧化痕跡，部分區(qū)域呈顆粒狀，宏觀形貌見圖1。采用掃描電鏡及能譜儀對(duì)缺陷表面進(jìn)行形貌觀察及能譜分析：缺陷表面微觀呈沿晶+解理形貌，二者比例相近，部分晶面上可見一些彌散分布的顆粒狀物質(zhì)，分析結(jié)果表明其為硫化物夾雜或磷化物夾雜，斷面正常區(qū)域主成分與45#鋼相符，缺陷表面微觀形貌及能譜分析見圖2。

圖1 缺陷表面宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of defects

圖2 缺陷表面微觀形貌及能譜分析Fig.2 Micro morphology and EDS of defects

1.3 金相分析及顯微硬度測(cè)試

從缺陷部位截取部分試樣進(jìn)行金相分析及顯微硬度測(cè)試，結(jié)果如下。

（1）試樣由表面向心部硫化物夾雜數(shù)量逐漸增多，形貌見圖3。根據(jù)GB/T 10561—2005 進(jìn)行評(píng)定，表面區(qū)域硫化物夾雜級(jí)別＜0.5級(jí)，心部區(qū)域最大級(jí)別為2.0級(jí)。

（2）試樣剖面絕大部分區(qū)域顯微組織為回火索氏體+鐵素體，其中鐵素體趨于網(wǎng)狀分布；心部區(qū)域可見較多沿軋制方向斷續(xù)分布的條帶狀白亮組織，放大為馬氏體組織，條帶中部可見一些沿軋制方向分布的硫化物夾雜；部分白亮組織中存在沿軋制方向的沿晶裂紋，見圖4。

圖3 非金屬夾雜物形貌Fig.3 Morphology of nonmetallic inclusions

（3）對(duì)金相試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，正常區(qū)域組織硬度均值為HV288，白亮組織區(qū)域硬度均值為HV452，遠(yuǎn)高于正常區(qū)域。

圖4 顯微組織形貌Fig.4 Microstructure of defects

1.4 化學(xué)成分分析

對(duì)鋼板材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，材料成分與45#鋼牌號(hào)相符。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果1）Tab.1 Results of chemical composition analysis %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2 分析與討論

鋼板在調(diào)質(zhì)熱處理后探傷發(fā)現(xiàn)內(nèi)部多處區(qū)域存在缺陷，解剖結(jié)果表明缺陷均位于板厚的中部位置，打開的缺陷表面未見腐蝕及氧化痕跡，微觀呈沿晶+解理形貌，部分晶面上存在一些硫化物或磷化物夾雜顆粒，能譜分析結(jié)果表明沿晶斷面上的Mn 及P、S元素含量明顯超標(biāo)；金相分析結(jié)果表明鋼板大部分區(qū)域顯微組織為回火索氏體+鐵素體，但心部區(qū)域（板厚中部位置）存在較多條帶狀白亮馬氏體組織，組織中存在較多硫化物夾雜，該組織硬度遠(yuǎn)高于正常組織，部分白亮組織中存在沿晶裂紋。根據(jù)以上觀察結(jié)果綜合分析認(rèn)為，探傷顯示的缺陷應(yīng)為聚集分布的沿晶裂紋，缺陷表面的解理形貌應(yīng)是在打開缺陷過(guò)程中形成的人工斷口形貌。

根據(jù)斷面能譜分析結(jié)果及金相分析結(jié)果判斷，鋼板厚度方向中部的條帶狀白亮馬氏體組織中應(yīng)存在合金元素（主要是Mn）及雜質(zhì)元素（S、P）的偏析，成因應(yīng)是鋼錠澆鑄過(guò)程中心部形成枝晶偏析，軋制過(guò)程中偏析區(qū)被拉長(zhǎng)因而形成偏析條帶，該區(qū)域由于富集Mn、P、S（可能還有C）等元素而增加了淬透性，因而在熱處理過(guò)程中形成了與正常區(qū)域不同的馬氏體組織［3-10］，在組織應(yīng)力及熱應(yīng)力作用下高硬度組織易于發(fā)生脆性開裂。

上述偏析屬于宏觀偏析，也可稱之為位置偏析，一般在鑄錠最后形成部位出現(xiàn)，正常情況下該缺陷在變形加工前應(yīng)予以去除，若未去除完全則會(huì)遺留至最終產(chǎn)品，并可能造成材料性能下降甚至開裂。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鋼板的失效分析認(rèn)為，鋼板厚度方向中部位置的缺陷為沿變形方向分布的帶狀組織，部分帶狀組織中存在沿晶裂紋。形成帶狀組織及裂紋的機(jī)理是：原材料鋼錠澆鑄過(guò)程中心部形成枝晶偏析，軋制過(guò)程中偏析區(qū)被拉長(zhǎng)因而形成偏析條帶，條帶區(qū)因富含Mn、S、P 等元素形成硬度較高的馬氏體組織，調(diào)質(zhì)熱處理過(guò)程中在組織應(yīng)力及熱應(yīng)力作用下馬氏體條帶組織區(qū)域發(fā)生沿晶脆性開裂。