厚規(guī)格NM500耐磨鋼板切割延遲裂紋的產(chǎn)生機理

吳 翔， 左秀榮， 蔡明暉， 趙威威

(1. 鄭州大學 材料物理教育部重點實驗室，鄭州 450052；2. 東北大學 材料科學與工程學院，沈陽 110819)

隨著我國機械行業(yè)的不斷發(fā)展，耐磨鋼的應(yīng)用越來越廣泛，對耐磨鋼板性能的要求也越來越高.與傳統(tǒng)的高錳鋼、耐磨鑄鐵、特種耐磨鋼相比，低合金高強度馬氏體耐磨鋼由于其低的合金元素含量、簡單的生產(chǎn)工藝、優(yōu)良的塑性加工性能以及優(yōu)越的強韌性和耐磨性而備受關(guān)注，在采礦設(shè)備、建筑機械、冶金行業(yè)、軍事等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，具有廣闊的市場前景和經(jīng)濟效益[1-3].

近幾十年，關(guān)于低合金高強度耐磨鋼的組織和性能，學者們已經(jīng)做了很多研究，并獲得很多重要結(jié)果[4-6].但隨著耐磨鋼板的硬度級別和厚度尺寸的增加，后續(xù)切割工藝不當帶來的延遲裂紋成為鋼板最常見和最嚴重的缺陷之一.關(guān)于延遲開裂的機理，目前有很多理論，如空洞內(nèi)氣體壓力學說、位錯陷阱捕氫學說、氫吸附理論和三軸應(yīng)力晶格脆化學說等.其中，氫的應(yīng)力誘導(dǎo)擴散理論是最符合發(fā)生延遲裂紋過程中氫和應(yīng)力交互作用的理論[7].基于該理論，一些專家學者探究了耐磨鋼板在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的延遲裂紋現(xiàn)象.例如，范丹萍等[8]研究了低鋼級NM360開裂原因，判斷中心偏析和疏松為裂紋源，并提出一定改善措施.張濤等[9]研究了厚規(guī)格NM400切割延遲裂紋，將原因歸結(jié)為鋼板中心缺陷.姜金星等[10]利用有限元模擬和實驗相結(jié)合對NM450鋼板的裂紋進行了分析，發(fā)現(xiàn)厚度中心缺陷和淬火過程內(nèi)應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的根本原因.

本文針對50 mm厚規(guī)格的NM500耐磨鋼板經(jīng)火焰切割后存在的延遲裂紋現(xiàn)象，采用金相顯微鏡對裂紋宏觀形貌進行觀察，以判斷裂紋相互引導(dǎo)誘發(fā)關(guān)系；基于硬度測試，研究火焰切割高溫對裂紋形成的影響；利用掃描電鏡和能譜分析儀對夾雜物進行觀察及分析；借助掃描電鏡和透射電鏡對基體組織進行精細表征.在此基礎(chǔ)上，綜合分析了NM450耐磨鋼板經(jīng)火焰切割后出現(xiàn)延遲裂紋的機理.

1 實驗材料與方法

實驗材料為軋制后淬火回火的NM500鋼板，其厚度約為50 mm，化學成分如表1所示.鋼板的淬火和回火溫度分別為905 ℃和190 ℃.回火后靜置冷卻，鋼板橫向齊頭火焰切割，在鋼板的橫斷面上用染色劑染色后發(fā)現(xiàn)存在網(wǎng)狀分布裂紋，如圖1(a)所示.

采用線切割取圖1(b)所示位置裂紋進行分析，試樣尺寸(厚×長×寬)為50 ×15 ×10 mm.采用OLYMPUS-BX51M金相顯微鏡(OM)對裂紋進行觀察，研究裂紋擴展情況.用XHD-2000TMSC數(shù)顯維氏硬度計進行硬度測試，測試位置為試樣軋向面.采用JSM-6700掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣夾雜物形貌，用INCA-ENERGY能譜分析儀(EDS)對夾雜物化學成分進行分析.試樣經(jīng)體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，用OM和SEM觀察基體微觀組織.取鋼板厚度中心試樣經(jīng)10%高氯酸酒精溶液雙噴減薄后采用JEM-2100F透射電鏡(TEM)觀察馬氏體板條、碳化物形態(tài).

表1 實驗用NM500鋼板的化學成分(質(zhì)量分數(shù))

圖1 NM500鋼板火焰切割面的宏觀裂紋Fig.1 Macro-cracks on the flame cutting surface of NM500 steel plate

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 裂紋形貌分析

圖2(a)為所取試樣裂紋示意圖，圖2(b)為火焰切割面裂紋擴展OM圖.其中，1為最上方橫裂紋與上半段縱裂紋交匯處放大圖；2為第二條橫裂紋與上半段縱裂紋交匯處放大圖；3為第二條橫裂紋與下半段縱裂紋交匯處放大圖；4為下半段縱裂紋止裂處發(fā)大圖.由圖2(a)可知，裂紋在橫斷面上呈現(xiàn)曲折擴展形貌，橫縱裂紋交互纏結(jié)；然而， 圖2(b)-1 表明：試樣最上方的橫裂紋與縱裂紋無交叉點，且上端接近橫裂紋處的縱裂紋末梢呈現(xiàn)鈍化止裂狀態(tài)，這說明此橫裂紋與縱裂紋在萌生擴展過程中呈現(xiàn)獨立狀態(tài)，無相互引導(dǎo)誘發(fā)關(guān)系.圖2(b)上半段縱裂紋曲折擴展，且存在多處二次橫裂紋，這些二次橫裂紋短小且擴展曲折.觀察圖 2(b)-2 發(fā)現(xiàn)，橫裂紋張開度較縱裂紋大，兩者之間存在細小曲折分叉連接，判斷此處橫裂紋萌生擴展后誘發(fā)縱向缺陷使得縱裂紋萌生，延伸過程中引發(fā)細小二次橫裂紋消耗能量，至上部時止裂.圖 2(b)-3 中顯示下半段縱裂紋上端與橫裂紋間存在細窄裂紋連接，縱裂紋從上至下因能量大且阻礙小而能平直擴展，縱裂紋尾端延伸曲折且存在較大拐折，裂紋尾部收斂細化，但末梢存在鈍化口，說明下半段縱裂紋由橫裂紋誘發(fā)，擴展過程中由鋼中本身缺陷作為驅(qū)動力驅(qū)使，在橫斷面上向下延伸時最終受近表面組織阻礙而止裂，如圖 2(b)-4 所示.

圖2 NM500鋼板火焰切割面的微觀裂紋Fig.2 Micro-cracks on the flame cutting surface of NM500 sample

圖3(a)為試樣橫縱向裂紋軋向擴展示意圖，將試樣橫裂紋在軋制方向上的擴展標為1和2號裂紋，將縱裂紋在軋制方向上的擴展標為3和4號裂紋，對四條裂紋分別觀察，得到圖3(b).由圖3(b)可知，試樣中1號裂紋即上端橫裂紋沿軋向的擴展長度為4.9 mm，裂紋較為曲折；2號裂紋即試樣厚度中心處橫裂紋擴展長度為2.3 mm，張開度較小，裂紋強度較弱，局部曲折擴展.試樣中3號縱裂紋沿軋制方向的擴展長度為7.1 mm，裂紋張開度均勻，延伸平直；4號裂紋為縱裂紋沿著軋向的擴展，其長度為12.5 mm，此裂紋在軋向上張開度最為嚴重，且收斂平滑，無明顯止裂轉(zhuǎn)折部位，其擴展長度也最長.四條裂紋在軋向的擴展尾部均為狹長收斂狀況，異于縱裂紋在火焰切割面的鈍化止裂，為能量耗盡的宏觀表現(xiàn).根據(jù)橫縱裂紋在軋向上擴展情況判斷，橫裂紋驅(qū)動力較小，且萌生后出現(xiàn)曲折擴展、張開度較小、延伸距離較短的形貌最終能量耗盡收斂，縱裂紋驅(qū)動力較大，在軋向上無明顯止裂情況，擴展平滑、張開度較大、延伸距離較長，但根據(jù)其在鋼板近表面鈍化止裂的情況分析，在厚度方向存在優(yōu)異的止裂因子阻止裂紋擴展.

圖3 NM500鋼板橫縱向裂紋的軋向擴展情況 Fig.3 Propagation of both transverse and longitudinal cracks along the rolling direction of the NM500 steel plate

2.2 硬度分析

材料的硬度與其碳含量密切相關(guān)，碳含量越高則材料的硬度越高.為了進一步說明裂紋是否受到火焰切割高溫影響，在橫縱向裂紋附近沿著軋向進行了一系列硬度測試，如圖4(a)插圖中虛線所示.硬度測試結(jié)果如圖4(a)所示，可以看出：在距火切面0～4 mm范圍內(nèi)，硬度值隨著距離增加而呈遞增的趨勢，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，這表明火焰切割的熱影響區(qū)約為4 mm.熱影響區(qū)的范圍與橫裂紋在軋向上擴展深度基本一致，因此，可以確定火焰切割的高溫熱影響使硬度降低，且橫裂紋主要與此處高溫熱影響有關(guān).圖4(b)為試樣厚度方向的硬度分布情況，表明：在NM500板材厚度中心存在低硬度區(qū)，且在此區(qū)域內(nèi)硬度值波動較大.

圖4 NM500板材縱、橫裂紋附近的硬度分布 Fig.4 Hardness distribution in the heat affected zone of the NM500 steel plate

2.3 夾雜物分析

在冶煉過程中，夾雜物水平是影響鋼水純凈度的制約因素[11].一些夾雜物因尺寸較大、抗變形能力與基體迥異而在軋制后破碎形成孔洞、尖角，這些夾雜物的數(shù)量、尺寸、分布、形態(tài)往往影響著試樣內(nèi)部組織的連續(xù)性，會在孔洞和尖角處形成應(yīng)力集中，繼而影響鋼的HIC(Hydrogen-Induced Cracking)敏感性[12].

圖5為實驗鋼中TiN夾雜物形貌與成分.在連鑄過程中存在規(guī)則外形的大尺寸硬質(zhì)TiN夾雜，軋制后從氧化物核心部位沿變形流變方向破碎從而形成尖角與孔洞，在尖角處極易形成應(yīng)力集中，而夾雜物中心孔洞則成為H聚集的位點，從而在孔洞中形成氫分子極易被較小外力誘發(fā)引發(fā)氫脆.

圖5 NM500鋼中TiN夾雜物Fig. 5 TiN inclusions in the NM500 steel plate

2.4 微觀組織分析

眾所周知，材料的力學性能與其微觀組織密切相關(guān).由圖4可知，火焰切割面硬度的降低和厚度中心硬度值的波動主要由不同區(qū)域的微觀組織差異所引起的.NM500鋼板典型區(qū)域的微觀組織如圖6所示.鋼板上表面的顯微組織主要為馬氏體，且馬氏體束長寬比較小，邊界分明，如圖6(a)所示；板材厚度方向1/4處的顯微組織為馬氏體+貝氏體+碳化物，且馬氏體邊界弱化，如 圖6(b) 所示；在板材試樣厚度1/2處，馬氏體析出的碳化物數(shù)量增加，馬氏體板條邊界已模糊不清，如圖6(c)所示.由于淬火時鋼板厚度方向不同部位的冷卻速度和成分存在差異，因此材料的微觀組織在厚度方向也不盡相同，從而容易引起較大的組織應(yīng)力.圖6(d)為火焰切割面厚度中心處的顯微組織，可以看出：雖然馬氏體保持一定的板條形貌，但析出碳化物的體積分數(shù)進一步增加，即火焰切割高溫致使碳化物大量析出，這也就解釋了上述所提及熱影響區(qū)硬度降低的原因.

圖6 NM500鋼板不同區(qū)域的掃描組織 Fig.6 SEM microstructures of the NM500 steel plate

圖7 NM500鋼板厚度中心區(qū)域透射電鏡下的組織形貌Fig.7 TEM morphologies of the area at the center along the thickness of NM500 steel plate

圖7為NM500鋼板厚度中心區(qū)域透射電鏡下的微觀組織形貌.可以觀察到馬氏體板條與針葉狀下貝氏體組織，并存在多位錯纏結(jié)和碳化物析出，這表明鋼中局部成分偏析的存在.

3 分析與討論

鋼中規(guī)則形貌TiN夾雜尺寸大且數(shù)量多，軋制后易破碎形成孔洞吸附H.氫的應(yīng)力誘導(dǎo)擴散理論認為[7,13]，金屬內(nèi)部氫總是優(yōu)先向孔洞擴散，并發(fā)生聚集形成高應(yīng)力區(qū)，且隨著氫含量的增加，高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力不斷增大，其脆性也因位錯移動受阻而增加.當局部應(yīng)力超過基體抗變形強度臨界值時，高應(yīng)力區(qū)發(fā)生開裂，同時，在裂紋尖端形成三向應(yīng)力區(qū)，氫不斷向三向應(yīng)力區(qū)擴散、聚集，當裂紋尖端局部的應(yīng)力達到臨界值時，裂紋又發(fā)生新的擴展.這一過程周而復(fù)始持續(xù)進行，直至成為宏觀裂紋.可見，氫致延遲裂紋是由許多單個的微裂紋合并而成的宏觀裂紋，而微裂紋的產(chǎn)生可歸結(jié)于鋼中夾雜物、微孔洞的起裂.

對于50 mm厚的NM500鋼板，在板材厚度方向容易因淬火冷卻速度的差異引起組織應(yīng)力.一方面，鋼板表面和心部在淬火冷卻過程中發(fā)生馬氏體相變的先后順序不一，先接觸淬火冷卻水的鋼板表面溫度降到Ms點以下，組織由過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，體積膨脹，而心部仍為奧氏體；隨著冷卻的繼續(xù)進行，心部冷速降低而出現(xiàn)貝氏體組織，同時部分組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，向外膨脹時受到表面硬相馬氏體的約束，導(dǎo)致鋼板心部受到拉應(yīng)力，表層受到壓應(yīng)力.另一方面，厚鋼板在連鑄過程中發(fā)生選分結(jié)晶，溶質(zhì)元素分布不均勻，在鑄坯厚度中心形成成分偏析，使得Ms點降低，推遲了馬氏體相變，導(dǎo)致鋼板淬透不完全，從而使厚度中心組織不均勻而帶來更高的組織應(yīng)力.火焰切割是采用高溫火焰氣體融化鋼板的原理，在切割過程中鋼板不可避免的承受高溫狀態(tài)，火焰切割的熱影響區(qū)內(nèi)馬氏體受熱析出較多的碳化物，有利于改善材料的塑韌性，但也降低了火切面強度.

橫裂紋出現(xiàn)在試樣厚度中心附近，同時橫裂紋擴展長度較短，與火焰切割的熱影響區(qū)范圍一致，且橫裂紋延伸曲折表現(xiàn)出一種較小驅(qū)動力的擴展方式，因此判斷橫裂紋的萌生和擴展與火焰切割的熱影響和厚度方向的組織應(yīng)力有關(guān)，其中高溫熱影響是主驅(qū)動力和誘導(dǎo)因素.相比較，縱裂紋延伸整體較為平直，呈現(xiàn)出極為典型的應(yīng)力斷裂特征，縱裂紋延伸長度遠遠大于火焰切割的熱影響區(qū)厚度，判斷縱裂紋的萌生是由火焰切割引發(fā)的橫裂紋誘導(dǎo)的，但擴展的驅(qū)動力為鋼的組織應(yīng)力.

鋼中大量的大尺寸硬質(zhì)TiN夾雜軋制后破碎形成尖角和孔洞，易聚H而產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中；鋼板在淬火時因冷速不同和中心偏析導(dǎo)致厚度方向組織差異從而產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力；火焰切割使馬氏體中析出大量碳化物導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度降低，無法保證高強度的約束，從而在組織應(yīng)力作用下裂紋在TiN夾雜處萌生.

4 結(jié) 論

(1)NM500鋼中存在橫縱向兩類裂紋.橫向裂紋張開度小，在軋制方向上擴展距離短且延伸曲折，最后逐步收斂止裂；縱向裂紋張開度大，在軋制方向上延伸距離長且延伸平直，但在橫斷面(火焰切割面)上鈍化止裂.

(2)火焰切割熱影響區(qū)厚度和橫裂紋的擴展長度基本在一個數(shù)量級，表明火焰切割是橫裂紋產(chǎn)生的主要原因.縱裂紋的萌生是由火焰切割引發(fā)的橫裂紋誘導(dǎo)產(chǎn)生的，其裂紋擴展驅(qū)動力為組織應(yīng)力，驅(qū)動力較大.

(3)鋼板中存在的大尺寸TiN夾雜軋制后破碎形成尖角和孔洞，易聚H而產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中；鋼板在淬火后因冷速不同和中心偏析導(dǎo)致厚度方向組織差異從而產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力；火焰切割使馬氏體中析出大量碳化物導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度降低，無法保證高強度的約束，從而在組織應(yīng)力作用下裂紋在TiN夾雜處萌生.