摘 要:某60Si2Mn钢盘条在卷簧过程中发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、 夹杂物分析、扫描电镜分析等方法对该盘条的断裂原因进行分析。结果表明:在卷簧前及卷簧初期 的拉拔过程中,盘条表面受到了严重的挤压或擦蹭,使组织变形,并形成了隐晶马氏体;在后续的拉 拔过程中,盘条内部应力集中处萌生了微裂纹,裂纹不断扩展,最终导致盘条断裂。
关键词:60Si2Mn钢;盘条;硬相组织;隐晶马氏体
中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)07-0058-03
60Si2Mn钢是一种硅锰弹簧钢,具有较高的疲劳 强度和屈服强度、较好的韧性和塑性,在承受载荷时不 易发生塑性变形,其广泛应用于制作扁形弹簧、螺旋弹 簧、耐热弹簧、大型卷制弹簧等构件[1-2]。弹簧钢的化 学成分、尺寸、椭圆度、表面质量等对其性能及使用寿 命都有较大影响,因此需严格控制弹簧钢的质量。
60Si2Mn钢是一种硅锰弹簧钢,具有较高的疲劳 强度和屈服强度、较好的韧性和塑性,在承受载荷时不 易发生塑性变形,其广泛应用于制作扁形弹簧、螺旋弹 簧、耐热弹簧、大型卷制弹簧等构件[1-2]。弹簧钢的化 学成分、尺寸、椭圆度、表面质量等对其性能及使用寿 命都有较大影响,因此需严格控制弹簧钢的质量。
1 理化检验
1.1 宏观观察
在断裂盘条的断口处取样,对试样进行宏观观 察,结果如图1所示。由图1可知:断口为典型斜茬 断口,断裂起始于盘条表面,沿着垂直于长度方向扩 展;断口扩展区域基本齐平,末端呈撕裂状,并形成 斜茬;断裂源区试样表面有明显擦蹭痕迹,表面氧化 铁皮已脱落,露出纯金属光泽。
1.2 化学成分分析
在断裂盘条上取样,利用直读光谱仪对试样进 行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:该 断裂盘条的化学成分满足GB/T1222—2016《弹簧 钢》的要求。
1.3 金相检验
沿断裂盘条的横向截取试样,将试样进行磨 制、抛光处理,然后用4%(体积分数)的硝酸乙醇 溶液腐蚀试样,将试样置于光学显微镜下观察,结 果如图2所示。由图2可知:试样整体组织为珠 光体+铁素体,满足产品技术要求;在试样边缘处 可见组织受到严重的挤压而发生变形,断裂处已 经出现相对基体明显发亮的硬相组织,即隐晶马 氏体。
1.4 夹杂物分析
按照GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物 含量的测定 标准评级图显微检验法》,将对断裂盘 条进行纵向切割后取样,将试样进行磨制、抛光后, 对试样中的夹杂物进行分析,结果如表2所示,可见 该盘条的夹杂物满足GB/T1222—2016的要求。
1.5 扫描电镜(SEM)分析
在断裂盘条的断口处取样,将试样用乙醇超声 清洗,然后置于扫描电镜下观察,结果如图3所示。 由图3可知:裂纹源处较平,断口发生严重变形,并 可见细碎的韧窝;试样表面的擦蹭变形痕迹明显,扩 展区呈典型的脆性解理形貌特征;裂纹源处的试样 表面有正向挤压变形痕迹,在变形位置有垂直于试 样轧制方向的成排横向裂纹。
2 综合分析
由上述理化检验结果可知:断裂盘条的化学成 分、显微组织均满足标准要求;断裂源处盘条表面有 明显的擦蹭变形痕迹,变形处有成排的横向裂纹;断 口处的变形程度较严重,并可见细碎的韧窝;断裂源 处可见发亮的硬相组织[3]。当金属材料受到外力的 大力擦蹭或挤压时,组织会发生塑性变形。在变形 过程中,晶粒发生滑移,产生大量的位错,位错积塞 导致晶粒在垂直或平行于拉力方向上拉长、纤维化、 破碎,并在该位置产生极大的应力,使变形处的硬度 和强度增大,塑性和韧性降低。在拉拔卷簧的过程 中,该位置易萌生裂纹并不断扩展,最终导致材料发 生断裂。
当金属表面受到擦蹭力作用时,受力位置的温 度会急剧上升,严重时可达到材料的奥氏体化温度, 奥氏体晶粒内部的碳元素分布不均,导致材料内部 不同区域的马氏体转变温度不同;擦蹭过程持续时 间较短,奥氏体化不均匀,晶粒在高温状态下发生瞬 间冷却,导致晶粒没有及时恢复、长大;材料内部发 生组织切变时,马氏体转变温度不同,导致新的组织 在奥氏体微区边界上形核,最终得到了晶粒度很小 的淬火马氏体,该类马氏体尺寸较小,不能在显微镜 下被观察到,故称其为隐晶马氏体[4-5]。马氏体的硬 度高、塑性差,在受到拉拔力时,该区域产生应力集 中并萌生裂纹。
在盘条打包过程中,若打包线与基体之间无防 护措施,盘条表面容易发生瞬间碰撞和擦蹭,导致接 触位置发生变形[6],并形成淬火组织。在装车和运 输过程中,盘条与磁性材料之间易发生摩擦碰撞,产 生瞬时高温,形成淬火组织;在校直过程中,盘条椭 圆度控制不当会导致盘条与设备之间发生异常摩 擦,摩擦过程中发生组织变形,并产生极大的内能, 使材料瞬间完成局部淬火,形成了隐晶马氏体。
3 结论与建议
60Si2Mn钢盘条的断裂原因为:在卷簧前及卷 簧初期的拉拔过程中,盘条表面受到了擦蹭,组织发 生严重变形,并形成了隐晶马氏体,在拉拔力的作用 下,裂纹在该处萌生并不断扩展,最终导致盘条 断裂。
建议在材料打包过程中,在打包线和盘条之间 做好隔离防护工作;利用叉车调运时,防止发生严重 擦蹭,入库时减少搬运;控制盘条的椭圆度,避免其 与设备之间发生局部异常摩擦。
参考文献:
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[6] 邱容容,陈泽平,谢斌,等.82B高碳钢热轧盘条心部 异常组织分析及改善措施[J].理化检验(物理分册), 2019,55(6):381-384.