摘 要:某60Si2Mn鋼盤條在卷簧過程中發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué)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(jié)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(yán)重的擠壓或擦蹭,使組織變形,并形成了隱晶馬氏體;在后續(xù)的拉 拔過程中,盤條內(nèi)部應(yīng)力集中處萌生了微裂紋,裂紋不斷擴展,最終導(dǎo)致盤條斷裂。
關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(fā)生塑性變形,其廣泛應(yīng)用于制作扁形彈簧、螺旋彈 簧、耐熱彈簧、大型卷制彈簧等構(gòu)件[1-2]。彈簧鋼的化 學(xué)成分、尺寸、橢圓度、表面質(zhì)量等對其性能及使用壽 命都有較大影響,因此需嚴(yán)格控制彈簧鋼的質(zhì)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(fā)生塑性變形,其廣泛應(yīng)用于制作扁形彈簧、螺旋彈 簧、耐熱彈簧、大型卷制彈簧等構(gòu)件[1-2]。彈簧鋼的化 學(xué)成分、尺寸、橢圓度、表面質(zhì)量等對其性能及使用壽 命都有較大影響,因此需嚴(yán)格控制彈簧鋼的質(zhì)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(jié)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(qū)域基本齊平,末端呈撕裂狀,并形成 斜茬;斷裂源區(qū)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(xué)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(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:該 斷裂盤條的化學(xué)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?jǐn)?shù))的硝酸乙醇 溶液腐蝕試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié) 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(chǎn)品技術(shù)要求;在試樣邊緣處 可見組織受到嚴(yán)重的擠壓而發(fā)生變形,斷裂處已 經(jīng)出現(xiàn)相對基體明顯發(fā)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(jié)果如圖3所示。 由圖3可知:裂紋源處較平,斷口發(fā)生嚴(yán)重變形,并 可見細(xì)碎的韌窩;試樣表面的擦蹭變形痕跡明顯,擴 展區(qū)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(jié)果可知:斷裂盤條的化學(xué)成 分、顯微組織均滿足標(biāo)準(zhǔn)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(yán)重,并可見細(xì)碎的韌窩;斷裂源 處可見發(fā)亮的硬相組織[3]。當(dāng)金屬材料受到外力的 大力擦蹭或擠壓時,組織會發(fā)生塑性變形。在變形 過程中,晶粒發(fā)生滑移,產(chǎn)生大量的位錯,位錯積塞 導(dǎo)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(chǎn)生極大的應(yīng)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(dǎo)致材料發(fā) 生斷裂。
當(dāng)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(yán)重時可達(dá)到材料的奧氏體化溫度, 奧氏體晶粒內(nèi)部的碳元素分布不均,導(dǎo)致材料內(nèi)部 不同區(qū)域的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度不同;擦蹭過程持續(xù)時 間較短,奧氏體化不均勻,晶粒在高溫狀態(tài)下發(fā)生瞬 間冷卻,導(dǎo)致晶粒沒有及時恢復(fù)、長大;材料內(nèi)部發(fā) 生組織切變時,馬氏體轉(zhuǎn)變溫度不同,導(dǎo)致新的組織 在奧氏體微區(qū)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(qū)域產(chǎn)生應(yīng)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(fā)生瞬間碰撞和擦蹭,導(dǎo)致接 觸位置發(fā)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(fā)生摩擦碰撞,產(chǎn) 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(dāng)會導(dǎo)致盤條與設(shè)備之間發(fā)生異常摩 擦,摩擦過程中發(fā)生組織變形,并產(chǎn)生極大的內(nèi)能, 使材料瞬間完成局部淬火,形成了隱晶馬氏體。
3 結(jié)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(fā) 生嚴(yán)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(dǎo)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(diào)運時,防止發(fā)生嚴(yán)重 擦蹭,入庫時減少搬運;控制盤條的橢圓度,避免其 與設(shè)備之間發(fā)生局部異常摩擦。
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