廖子東，周成宏，葉德新，劉年富

(寶武集團廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司，廣東 韶關(guān) 512123)

1215鋼屬于低碳高硫易切削鋼，以其良好的易加工性和環(huán)保性，廣泛應用于自動機床加工、電子信息工業(yè)、醫(yī)療器材、五金器件及航空異形件[1]?，F(xiàn)寶武集團廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司1215棒材的生產(chǎn)工藝流程為:120 t BOF→LF→280 mm×280 mm連鑄坯→連軋→精整→成品。某冷拉廠采用φ45 mm規(guī)格1215棒材生產(chǎn)連接軸，經(jīng)冷拉后端部容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，生產(chǎn)流程為：酸洗→冷拔(由φ45 mm冷拔到φ43 mm)→粗車→精車→成品。為查明原因并防止此類問題再發(fā)生,對存在端部開裂的樣品進行分析研究。

1 檢測過程及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

1215棒材經(jīng)冷拉后端部開裂宏觀形貌如圖1所示，端部呈開口狀，裂紋貫穿整個端面，并沿著棒材軋制方向向內(nèi)部延伸。

圖1 裂紋樣品宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked sample

1.2 化學成分分析

運用OBLFQSN750-Ⅱ直讀光譜儀對開裂的樣品進行光譜成分分析，1215棒材化學成分見表 1。化學成分符合客戶協(xié)議標準的技術(shù)要求。

表1 1215棒材化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of 1215 bar(mass fraction，%)

1.3 低倍組織

根據(jù)標準GB/T 226要求，采用熱酸浸蝕法對母材圓鋼橫截面進行低倍腐蝕，低倍組織見圖2(a)；并按標準GB/T 1979要求對低倍組織評級，結(jié)果見表2。低倍組織級別滿足標準要求，其中心疏松2.0級，接近標準上限。通過返查該問題爐次連鑄低倍情況，發(fā)現(xiàn)鑄坯中心存在明顯微裂紋，級別1.5級。鑄坯低倍腐蝕形貌見圖2(b)，評級結(jié)果見表3。

(a)圓鋼；(b)連鑄坯圖2 樣品橫截面低倍組織(a) round steel;(b) continuous casting billetFig.2 Macrostructure of sample on cross-section

表2 圓鋼低倍評級結(jié)果Table 2 The low rating results of round steel

表3 連鑄坯低倍評級結(jié)果Table 3 The low rating results of continuous casting billet

1.4 非金屬夾雜物

為了進一步觀察鋼中非金屬夾雜物情況，在圓鋼低倍試樣靠近邊部位置和中心位置取夾雜樣，剖開后磨制縱截面，經(jīng)過研磨、拋光后使用Zeiss金相顯微鏡進行觀察，見圖3。邊部區(qū)域夾雜物呈球狀和紡錘狀，分布較均勻；中心區(qū)域夾雜呈棒狀和長條狀，分布不均勻，長條狀夾雜有明顯偏聚現(xiàn)象。經(jīng)EDS能譜分析，確定鋼中夾雜物為MnS夾雜，見圖4。

圖4 非金屬夾雜物EDSFig.4 EDS spectrum of non-metallic inclusions

1.5 斷口分析

斷口是試樣或零件在試驗或使用過程中斷裂后所形成的相匹配表面[2]，是斷裂失效最主要的殘骸,也是斷裂失效分析的主要物證，因而在失效分析中是十分重要的。

將端部開裂樣品沿開裂位置打斷，斷口宏觀形貌見圖5。發(fā)現(xiàn)裂紋沿材料剪切端面向內(nèi)開裂，裂口逐漸變小，開裂起始部位斷口發(fā)亮，呈結(jié)晶狀；裂紋內(nèi)部斷口發(fā)暗，呈纖維狀，其中靠近中心位置，纖維狀最明顯，形成的溝槽最深，平行排列。

(a)取樣位置；(b)邊部夾雜物；(c)中心位置夾雜物圖3 圓鋼取樣位置和非金屬夾雜物形貌(a) sampling position;(b) inclusion at the edge;(c) inclusion in the center locationFig.3 Sampling position of round steel and morphology of non-metallic inclusions

圖5 端部開裂位置斷口宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of fracture at the end of the crack location

采用蔡司EVO18掃描電子顯微鏡對斷口位置進行觀察，試樣斷口結(jié)晶狀區(qū)域微觀形貌呈冰糖狀，見圖6(a)、6(b)，晶界上發(fā)現(xiàn)有夾雜物殘留，經(jīng)EDS能譜分析為MnS夾雜。理論研究表明[3-5]：冰糖狀形貌是沿晶分離斷口的典型形貌特征，晶界弱化或晶間脆性是導致沿晶分離的根本原因。由于在斷口位置晶界上發(fā)現(xiàn)MnS夾雜，因此MnS夾雜在晶界偏聚應是引起晶間脆性的主要原因。

觀察斷口內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)纖維狀區(qū)域微觀形貌呈韌窩狀斷口，韌窩內(nèi)存在顆粒狀和長條狀夾雜物，見圖6(c)、6(d)。經(jīng)EDS能譜分析夾雜物為MnS，條狀MnS夾雜沿軋制方向成行排列，夾雜物細長,部分彎曲，這與MnS夾雜熔點較低，在熱軋溫度下具有良好的塑性有關(guān)。還可以看出,MnS夾雜與基體剝離后形成的溝槽面比較光滑,范性變形較小。故可以推斷,韌窩形成的表面能比較低。韌窩的形成實際上就是顯微空洞的形成與長大。關(guān)于顯微空洞的形成機制，目前理論研究較多，其中夾雜物的影響是最重要的，MnS夾雜由于其良好的熱塑性，熱軋態(tài)下能隨基體一起變形，與基體的結(jié)合面比較緊密。故使夾雜物與基體剝離產(chǎn)生顯微空洞需要滿足一定臨界條件，Gurland等[6]的模型，夾雜物與基體剝離的臨界條件是：

對于球狀夾雜物：

(1)

對于條狀夾雜物：

(2)

式中：σ臨界為臨界應力；γ為顯微空洞的表面能；q為夾雜物的應力集中系數(shù)；E為基體與夾雜物的平均彈性模量；α為球狀夾雜物的直徑；λ為條狀夾雜物的長度。

根據(jù)公式(2)，造成夾雜物與基體剝離的σ臨界值與表面能的平方根成正比，而與夾雜物長度的平方根成反比。由此可以看出，長條狀MnS夾雜與基體容易剝離。一旦傳播的裂紋與長條狀MnS夾雜界面相遇，就會使裂紋迅速地沿軋制方向擴展。

(a),(b)結(jié)晶狀區(qū)域；(c)EDS能譜；(d),(e)纖維狀區(qū)域；(f)EDS能譜圖6 斷口微觀形貌及能譜分析(a),(b) crystalline region；(c) EDS spectrum；(d),(e) fibrous areas；(f) EDS spectrumFig.6 Fracture morphology and EDS analysis

1.6 金相組織分析

將斷口試樣沿縱軸線剖開后磨制，經(jīng)過4 %硝酸酒精腐蝕后進行金相組織觀察，如圖7所示?？梢钥闯?，端部組織晶粒存在明顯變形區(qū)域，深度接近0.80 mm，該變形時是由于試樣端部經(jīng)過冷拔，直徑變小帶來的外加應力所致。斷裂面附近顯微組織為鐵素體+少量珠光體，除晶粒有變形外未發(fā)現(xiàn)其他異常組織形態(tài)。

圖7 端部開裂處金相組織Fig.7 Microstructure at the end of the crack

2 分析與討論

通過調(diào)查問題爐次連鑄坯，發(fā)現(xiàn)鑄坯中心區(qū)域存在1.5級中間裂紋。針對高硫鋼鑄坯產(chǎn)生中心裂紋的原因，有關(guān)文獻資料研究表明[7-9]：1215屬于高含硫易切削鋼，鋼中加入大量硫元素后，由于硫在鋼中是最易引起偏析的元素，在鋼水凝固前沿，容易導致硫偏析，析出的硫化物夾雜聚集長大，呈現(xiàn)長條狀，降低了晶界的強度，使鑄坯的高溫強度和塑性降低，鑄坯在鋼水靜壓力和冷卻收縮應力作用下就容易出現(xiàn)中心裂紋。因此改善硫元素的偏析是消除高硫易切削鋼鑄坯中心裂紋的重要途徑。

觀察發(fā)現(xiàn)圓鋼中心區(qū)域含有大量的硫化物夾雜，夾雜物呈長條狀且聚集分布。鑄坯中心裂紋與硫化物偏聚的共同作用，導致鑄坯中心裂紋在軋制過程中不能有效焊合，導致圓鋼中心存在微細裂紋，外在表現(xiàn)為中心疏松級別高。

通過對端部開裂樣品進行分析，發(fā)現(xiàn)拉拔材料端部開裂與化學成分無關(guān)。開裂處端部組織晶粒存在明顯變形區(qū)域，深度接近0.80 mm，說明材料端部通過拉拔口時受到的擠壓應力較大，除晶粒有變形外未發(fā)現(xiàn)其他異常組織形態(tài)。將樣品沿開裂位置切斷，發(fā)現(xiàn)存在兩個形態(tài)不同的區(qū)域，分別是靠近端面的結(jié)晶狀區(qū)，面積較??；以及靠近內(nèi)部的纖維狀區(qū)，該區(qū)域沿軋制方向不斷向內(nèi)部延伸，其中心位置可見明顯的溝槽。其中結(jié)晶狀區(qū)域為沿晶斷口，晶界上有MnS夾雜物殘留，夾雜物偏聚容易引起晶間脆性。由上述分析可知，圓鋼中心存在軋制過程沒能有效焊合的微細裂紋，在外加拉拔應力作用下，微細裂紋沿晶界不斷擴展，最終導致該區(qū)域脆性開裂。纖維狀區(qū)域為韌窩狀斷口，韌窩內(nèi)存在長條狀硫化物夾雜，該類夾雜物與基體容易剝離。當結(jié)晶狀區(qū)擴展的微裂紋與長條狀MnS夾雜界面相遇時,就會使裂紋迅速地沿軋制方向擴展。

3 結(jié)論

低碳高硫易切削鋼1215材料心部位置存在微細裂紋和大量偏聚的長條狀MnS夾雜，在冷拔時受外加應力作用，中心區(qū)域微細裂紋沿長條狀MnS夾雜偏聚位置進一步擴展，導致端部產(chǎn)生脆性開裂并沿軋制方向向內(nèi)部延伸。