姜金星 寧勤恒 董俊媛 吳 翔 趙威威 左秀榮

(1. 南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035; 2. 鄭州大學(xué) 材料物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450052)

NM450鋼是一種新型耐磨鋼，與傳統(tǒng)的球墨鑄鐵、高錳鋼等耐磨金屬材料相比，碳含量以及合金元素含量都比較低，易熔煉鑄造，且加工性能較好[1- 2]。NM450鋼板加工工藝簡單，成本較低，且具有很好的強(qiáng)韌性和耐磨性能，能承受中等強(qiáng)度的沖擊磨損[2- 5]。隨著我國重工業(yè)的快速發(fā)展，目前NM450鋼板在礦山機(jī)械、水利裝備、軌道交通、國防軍工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，市場需求量與日俱增，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[3- 5]。

某鋼鐵公司熱軋的NM450鋼板淬火后發(fā)現(xiàn)有貫穿厚度的縱向裂紋，極大地影響了鋼板的質(zhì)量，增加了生產(chǎn)成本。本文采用金相檢驗(yàn)、能譜分析和硬度檢測等方法研究了鋼板淬火開裂的原因。

1 試驗(yàn)材料與方法

NM450鋼板厚度為60 mm，其化學(xué)成分如表1所示。鋼板淬火溫度為900 ℃，噴水淬火。

從鋼板縱向裂紋處線切割切取尺寸(厚×長×寬)為60 mm×10 mm×8 mm的試樣，磨、拋后用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，用金相顯微鏡觀察裂紋附近厚度方向的微觀組織。采用掃描電鏡觀察裂紋的微觀形貌。用顯微硬度計(jì)測定裂紋側(cè)面的硬度。采用EDS分析附近夾雜物的成分。通過建立簡化的熱- 力- 組織耦合有限元模型計(jì)算鋼板淬火過程中應(yīng)力的變化和分布。

表1 NM450鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the NM450 steel plate (mass fraction) %

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 裂紋的宏觀形貌

圖1為裂紋斷面的低倍形貌。從圖1(a)可以明顯看出，鋼板橫截面上有一條垂直于軋制表面在軋制方向上延伸的裂紋，裂紋平直，其張開度呈現(xiàn)出中間大兩端小的特征，幾乎貫穿鋼板厚度，終止于靠近鋼板下表面約3～4 mm處，初步判斷，可能起源于鋼板1/2厚度處[6]。鋼板1/2厚度處有一條平行于鋼板表面的橫向黑跡線，是中心偏析。

圖1 NM450鋼板中的裂紋(a)及其內(nèi)部(b)的宏觀形貌Fig.1 Macrographs of (a) crack and (b) inner of crack in the NM450 steel plate

將圖1試樣從上軋制面到下軋制面分別切取厚度為30、15、15 mm的3段試樣，其中靠近上軋制面的30 mm厚試樣和中間的15 mm厚試樣以裂紋為界分成兩小段，裂紋斷面如圖1(b)所示。可以發(fā)現(xiàn)，裂紋斷面較為平直，具有脆性斷裂的特征；斷面痕跡呈現(xiàn)出沿軋制板材的長度和表面擴(kuò)展的輻射狀花樣，這進(jìn)一步說明裂紋起源于鋼板內(nèi)部并向表面擴(kuò)展；裂紋斷面布滿了氧化鐵，顏色較深、較厚實(shí)[7]。

2.2 裂紋的微觀形貌

將靠近下軋制面的試樣進(jìn)行磨、拋后，在掃描電鏡下觀察裂紋的微觀形貌，如圖2所示。圖2(a)為未經(jīng)硝酸酒精溶液腐蝕的裂紋的SEM形貌，裂紋較為平直，呈現(xiàn)出應(yīng)力裂紋的特征[8- 9]，還可以看到有微裂紋從主裂紋處萌生和擴(kuò)展，該微裂紋形態(tài)與主裂紋一致， 也具有應(yīng)力裂紋的特征。圖2(b)為圖2(a)中靠近下端處裂紋的腐蝕態(tài)SEM形貌，可以看到穿晶裂紋的特征；裂紋兩側(cè)主要為馬氏體和貝氏體，沒有氧化圓點(diǎn)，初步說明裂紋沒有發(fā)生高溫氧化[8]。

2.3 硬度測試

圖2 未腐蝕 (a) 和腐蝕(b)的NM450鋼板中裂紋的微觀形貌Fig.2 Micrographs of cracks in the NM450 steel plate (a) not etched and (b) etched

硬度與鋼的含碳量有關(guān)。為了進(jìn)一步確定裂紋周圍組織是否發(fā)生氧化脫碳，測定了裂紋附近組織的顯微硬度，測試點(diǎn)間隔0.2 mm，結(jié)果如圖3所示。硬度有一定的波動(dòng)，裂紋附近組織有輕微脫碳。

圖3 NM450鋼板中近裂紋處的硬度分布Fig.3 Hardness distribution in place near crack in the NM450 steel plate

2.4 顯微組織

圖4為裂紋處夾雜物的形貌及能譜圖，裂紋中發(fā)現(xiàn)有夾雜物(FeO·CaO·MgO)，其尺寸較大，與基體之間有空洞。這類夾雜物會(huì)破壞鋼板組織的連續(xù)性，在應(yīng)力作用下會(huì)導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展[6,10- 12]。此外，在裂紋附近還發(fā)現(xiàn)有Ti、Nb的氮化物。

對(duì)鋼板裂紋附近的上表面、距上軋制面1/4和1/2厚度處進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。圖5表明，鋼板裂紋附近表面的組織主要為馬氏體，在鋼板1/4厚度處有少量貝氏體， 1/2厚度處貝氏體含量進(jìn)一步增加。淬火時(shí)鋼板不同部位冷卻速度的不同和組織差異導(dǎo)致其厚度方向存在較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，對(duì)裂紋的萌生和擴(kuò)展具有重要影響[10]。

2.5 應(yīng)力分布

由于試驗(yàn)條件的限制， 目前尚不能測定大型件熱處理過程中應(yīng)力的分布和變化。為此，采用熱- 力- 組織耦合三維有限元模型模擬了鋼板淬火過程中應(yīng)力的變化。在鋼板長度方向上截取一薄層，該薄層的兩個(gè)橫斷面設(shè)置為絕熱邊界，即忽略鋼板長度方向的傳熱。為進(jìn)一步提高運(yùn)算速度，考慮到薄片上、下和左、右呈幾何對(duì)稱，且實(shí)際鋼板表面的熱狀態(tài)也基本為對(duì)稱分布，所以作進(jìn)一步簡化，對(duì)該薄片的1/4大小進(jìn)行模擬計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果表明，未淬透鋼板的1/2厚度處是易產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)區(qū)。為此定點(diǎn)追蹤了鋼板1/2厚度處淬火過程中應(yīng)力的變化，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)淬火時(shí)間為120 s時(shí)，鋼板中心的應(yīng)力達(dá)到最大值413 MPa，在有孔隙和微裂紋的情況下，該處的應(yīng)力值可能是該數(shù)值的幾倍甚至幾十倍，遠(yuǎn)大于鋼板的抗拉強(qiáng)度。此外還可以看到，在整個(gè)淬火過程中鋼板1/2厚度處雖然受到壓應(yīng)力的作用，但時(shí)間極短，該部位基本一直處于拉應(yīng)力狀態(tài)。圖7為120 s淬火時(shí)間內(nèi)鋼板的應(yīng)力分布云圖，圖中上面為鋼板的軋制面，下面為1/2厚度處的截面。圖7表明，鋼板表面承受的是壓應(yīng)力，1/2厚度處承受的是拉應(yīng)力，從表面到1/2厚度處壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，且越來越大。拉應(yīng)力會(huì)在缺陷(夾雜、偏析、疏松等)處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致這些區(qū)域萌生裂紋并擴(kuò)展[13]。

圖4 NM450鋼板中裂紋處夾雜物的SEM形貌(a)及能譜圖(b,c)Fig.4 SEM micrograph (a) and EDS analysis (b,c) of inclusions near crack in the NM450 steel plate

圖5 鋼板表面(a)、1/4 (b)和1/2(c)厚度處的顯微組織Fig.5 Microstructures at surface(a), 1/4(b) and 1/2(c) thickness in the NM450 steel plate

圖6 NM450鋼板1/2厚度處的應(yīng)力隨淬火時(shí)間的變化Fig.6 Stresses at 1/2 thickness below the surface as a function of quenching time for the NM450 steel plate

圖7 淬火120 s的NM450鋼板中的應(yīng)力分布云圖Fig.7 Cloud picture of stress distribution in the NM450 steel plate quenched for 120 s

3 分析與討論

裂紋的宏觀形貌表明，裂紋的張開度總體上為中間大兩端小，裂紋的斷面痕跡有沿軋制板長度和表面擴(kuò)展的輻射狀花樣，表明裂紋起源于鋼板1/2厚度處。裂紋較為平直，垂直于軋制面，具有脆性斷裂的特征，為淬火裂紋，說明裂紋形成于淬火過程[10]。裂紋斷面有比較厚實(shí)致密的氧化鐵，但掃描電鏡觀察沒有發(fā)現(xiàn)氧化圓點(diǎn)。這些現(xiàn)象表明，裂紋處的氧化鐵不是產(chǎn)生于鋼板的淬火加熱階段，而是在鋼板淬火冷卻過程中，裂紋擴(kuò)展后高溫水蒸氣侵入其中與鐵發(fā)生氧化反應(yīng)的產(chǎn)物。

低倍組織顯示，鋼板1/2厚度處有偏析，能譜分析表明，裂紋處存在FeO·CaO·MgO夾雜物。FeO·CaO·MgO夾雜物脆而硬，在鋼板淬火前的高溫?zé)彳堖^程中會(huì)破裂，其周圍形成微小孔隙[10- 12]。這些微小孔隙、微裂紋和嚴(yán)重偏析區(qū)均會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，當(dāng)受到拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)在這些部位形成裂紋[8]。

沿鋼板厚度的組織有一定的差異，表面為馬氏體，1/2厚度處為馬氏體和貝氏體，表明鋼板沒有淬透，沿厚度方向會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。由熱- 力- 組織耦合模型得到，鋼板表面為壓應(yīng)力，中心為拉應(yīng)力，最高達(dá)413 MPa。拉應(yīng)力在夾雜物、微裂紋和偏析區(qū)集中，大于鋼板的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)萌生裂紋并擴(kuò)展[10]。

4 結(jié)論

(1) NM450鋼板的裂紋是淬火裂紋。裂紋內(nèi)的氧化鐵是鋼板在淬火冷卻過程中，裂紋擴(kuò)展后高溫水蒸氣侵入其內(nèi)部與鐵發(fā)生氧化反應(yīng)的產(chǎn)物。

(2)裂紋起源于鋼板1/2厚度處，為穿晶裂紋，鋼板中心的夾雜物和偏析區(qū)在拉應(yīng)力作用下易萌生裂紋。

(3)鋼板未被淬透，厚度方向存在組織差異，且淬火過程中鋼板1/2厚度處受到較大拉應(yīng)力的作用，該拉應(yīng)力在夾雜物和偏析區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼板開裂。