高文娟，張迎濤，王俊朋，李汝海，徐志剛

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光 262711）

1 前 言

山東壽光巨能特鋼有限公司是生產(chǎn)特殊鋼棒材和石油套管為主要產(chǎn)品的大型企業(yè)，50鋼是該企業(yè)中碳高強(qiáng)度碳素結(jié)構(gòu)鋼中用于汽車用鋼的產(chǎn)品之一。近期某客戶反饋一批50鋼在加工汽車前軸后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，批量出現(xiàn)未達(dá)到疲勞極限斷裂失效的問題，為查找原因，巨能特鋼聯(lián)系客戶取回失效試樣進(jìn)行分析。

2 取樣分析

2.1 樣品斷裂形貌

取回?cái)嗔咽悠穬芍В嚇佑稍牧辖?jīng)過切段、鍛造加熱、成型、調(diào)質(zhì)熱處理，為工字型斷面。其中試樣1 經(jīng)歷28.4 萬次循環(huán)后疲勞失效，試樣2經(jīng)歷65 萬次循環(huán)后疲勞失效，兩支試樣形貌見圖1。試樣1、試樣2 斷裂位置、斷裂深度和邊緣縮頸形貌均相似。

圖1 試樣形貌

2.2 化學(xué)成分及力學(xué)性能

對(duì)試樣1、試樣2取樣用光譜儀分析化學(xué)成分，其檢測(cè)結(jié)果見表1，各元素均在與客戶簽訂的技術(shù)協(xié)議要求范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)成分異常。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

對(duì)試樣1、試樣2 同爐號(hào)鋼材取樣按照與客戶簽訂的技術(shù)協(xié)議，進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見表2，各指標(biāo)均滿足要求，未有異常。

表2 力學(xué)性能

2.3 斷口分析

2.3.1 斷口形貌

在試樣1、試樣2斷裂位置取斷口試樣分析，取樣位置見圖2。

圖2 試樣口取樣位置

打開斷口后，可見試樣1、試樣2裂紋源均位于“工”字形試樣同一平面［1］，且距離平面邊緣均約20 mm位置，向周圍擴(kuò)展，最后在縮頸位置斷裂，見圖3。

圖3 試樣斷口形貌

2.3.2 裂紋源分析

在掃描電鏡下觀察試樣1、試樣2斷口，裂紋源處均見數(shù)條斷裂臺(tái)階，試樣外表面氧化嚴(yán)重，斷口近表面處氧化，擴(kuò)展區(qū)為脆性斷口，最后瞬時(shí)斷裂區(qū)為韌窩狀塑性斷口，見圖4。

圖4 試樣斷口形貌組織

在試樣1、試樣2 裂紋源處用掃描電鏡和能譜儀做EDS面掃描分析，見圖5，裂紋源處未見冶金夾雜物成分。

圖5 試樣裂紋源面掃描圖像

2.4 金相組織分析

2.4.1 裂紋源處金相組織分析

在試樣1裂紋源處切割金相試樣分析，可見裂紋源處存在深度0.1 mm左右的全脫碳層，橫向?qū)挾?.5 mm左右，且脫碳區(qū)域較正常邊緣區(qū)域存在凹下特征［2］，見圖6。

圖6 試樣1裂紋源處切割金相試樣

同樣在試樣2裂紋源處切割金相試樣分析，裂紋源處也存在深度0.1 mm左右的全脫碳層，橫向?qū)挾? mm 左右，且脫碳區(qū)域較正常邊緣區(qū)域也存在凹下特征，見圖7。

圖7 試樣2裂紋源處切割金相試樣

2.4.2 其余位置金相組織分析

在距離試樣1、試樣2 裂紋源同軸向20 mm 和端部位置取金相試樣觀察高倍組織，取樣位置見圖8，均未發(fā)現(xiàn)與裂紋源處類似脫碳現(xiàn)象，見圖9，說明該缺陷并非沿軸向即鋼材軋制方向分布。

圖8 取樣位置

圖9 試樣組織

2.5 低倍酸洗檢驗(yàn)

將試樣1、試樣2裂紋源處用1∶1鹽酸水溶液加熱至80℃后酸洗，觀察表面，未發(fā)現(xiàn)缺陷，酸洗后試樣見圖10。

圖10 試樣酸洗后表面

3 結(jié) 語

將試樣1、試樣2 所有檢驗(yàn)分析情況與客戶溝通交流，雙方認(rèn)同原材料無缺陷結(jié)論，同時(shí)建議客戶檢查各工序與缺陷對(duì)應(yīng)位置是否存在異常，導(dǎo)致該處脫碳及下凹。試樣表面存在凹下的異常脫碳導(dǎo)致其在疲勞試驗(yàn)時(shí)該處強(qiáng)度降低，產(chǎn)生應(yīng)力集中，優(yōu)先從該處斷裂，并擴(kuò)展開裂，是導(dǎo)致該批50鋼未達(dá)到疲勞極限斷裂失效的直接原因［3］?？蛻魴z查鍛打成型工序發(fā)現(xiàn)其模具與缺陷對(duì)應(yīng)位置存在凸出的氧化鐵皮粘連，清除后該問題得到解決。