40Cr冷拔脆断原因分析

40Cr40Cr 冷拔脆断原因分析冷拔脆断原因分析摘要某冷拉厂于 2011 年购进一批，规格为 20 mm 的 40Cr 圆钢，冷拔加工成 17 mm 的六角形钢，在此过程中，出现了大量脆断现象，断口形貌呈子弹型，本文从断口形貌，金相组织、受力状况等方面对拉拔断裂的原因进行了分析。关键词冷拔；断口；金相组织冷拔简介：冷拔工艺为：圆钢退火轧头酸洗润滑处理冷拔。冷拔过程的是原材料在拉拔力的作用下，形成径向压缩，轴向拉伸的应力状况，使材料产生塑性变形，受力方向与表面呈一定的角度。其合力沿拉伸方向，为与材料表面呈一定夹角，由表面指向材料中心。试样的选取：为了分析其原因，现场选取了 3 截冷拔断裂试样，同时切取了同一炉号，未经冷拔的原材料试样 2 个，以及另外 2 个炉号没有出现断裂的，同材质、同规格的产品试样各 2 个带回分析。试样的检测：首先利用超声探伤仪对带回的试样进行 C 型和 A 型水浸超声检测，原材料均未发现裂纹缺陷，而在冷拔后的六角形棒料的中心部位，均发现间断性的裂纹。对此材料进行拉伸破坏性试验，其断口形貌均与现场情况完全吻合，断口形形貌如图 1、图 2 所示。图1断口侧视图图 2断口正视图图 1 为宏观断口侧视形貌，断口突出的一端呈子弹形，内凹的一端呈圆形陨石坑形，两端完全吻合；图2 为宏观断口正视形貌，分3 个区：纤维区（A 区）；放射区（B 区）；瞬断区（C 区）。A 区为灰黑色，位于断口中央的位置，直径约1.8mm，是断裂起始的裂纹源区。B 区为灰白色，在外加拉应力的作用下，中心裂纹呈放射状向外扩展；C 区为灰色，为在放射区的外围厚度为 1.8mm 的圆环区，组织致密，呈细瓷状，所有断口四周未发现氧化及污染痕迹，这表明裂纹是在冷拔过程中产生。根据断口形貌特征，裂纹的走向是由心部向外延伸至表面。断口电镜分析：图 3（A 区）纤维区对断口的 3 个区域，分别进行扫描电镜观察，从中可以看出，在 A 区（图 3），有较多的显微空洞及夹杂物，唇状裂纹是由显微空洞在外力而作用下，逐渐扩展最后连接造成形成，说明此部位为材料断裂的起源；B 区（图 4）裂纹扩展区的微观形貌特征为较浅韧窝+少量解理+撕裂棱，具有河流花特征，裂纹扩展有方向性表明材料韧性不高，C 区（图 5）为瞬断区，形貌为等轴韧窝+撕裂棱，为拉伸脆性断裂。图 4（B 区）放射区金相分析：1）对试样进行纵向解剖，发现试样中心部位，沿试样长度范围内，均匀排列着，方向也基本一致，长度约为 1.2mm 的横向裂纹，并且在裂纹之间有细的微裂纹，裂纹宽度方向与所受拉应力方向一致，对此试样侵蚀后发现，试样存在严重的中心偏析带（图 6），所有裂纹均分布在偏析带上，长度略大于与偏析带的宽度。图 5（C 区）瞬断区2）对试样侵蚀后进行金相分析，从（图 6）中可以看出：裂纹的均起源于中心，偏析区域，此区域珠光体含量明显高于两边的正常区域；此区域晶粒粗大，为3-3.5 级，其他区域为5.5-6.5 级；从晶粒的形变上看，两边的晶粒沿拉伸方向变形量大于心部位置，说明心部组织塑性较差；对此部位放大后可以看出，此区域中的为珠光体为粗片状珠光体（图 7），片层间距不等，使塑性变形集中在片间距较大的位置；4）偏析区域夹杂分布集中，主要是 B 类细系夹杂物，级别为 2.0 级，经分析此夹杂物为 MnS，此类夹杂物的存在，在拉长时降低了断裂强度。图 6纵向剖面黑色条带为偏析带图 7腐蚀后成分分析：为了了解偏析的严重程度，分别对试样的正常部位及偏析部位进行成分的测量，其结果如表 1 所示，从中可以看出，此材料中心偏析非常严重，中心偏析区，碳、锰含量明显偏高。而细化晶粒的镍、铬、钼、铝含量极低，从而使得材料心部晶粒粗大，珠光体积聚，强度、韧性下降。分析结果：根据以上检验结果可以看到，六角棒料在冷拔时出现脆性断裂，是由于原材料存在严重的中心偏析，使得材料中心区域珠光体集中、晶粒粗大、夹杂物聚集，使得材料心部强度及韧性降低，造成材料在正常冷拔过程中，在材料中心的偏析区域，首先产生微裂纹，继而裂纹沿受力方向扩展直至断裂，形成形貌呈子弹形的断口。参考文献1现代钢铁材料及其工程应用M.机械工业出版社,200.2材料力学M.高等教育出版社,2004.3断口形貌学M.科学出版社,2009.4连续铸钢生产M.冶金教育出版社,2005.