SUP9N彈簧鋼斜錐裂紋原因分析

趙 磊，魏鑫燕，李崇建

（中信泰富特鋼研究院青鋼分院，山東 青島266000）

1 前言

某特鋼廠生產(chǎn)的SUP9N彈簧扁鋼，用戶在使用過程中發(fā)現(xiàn)兩片有斜錐化部分的開裂。為查找其裂紋成因，特對用戶出現(xiàn)的試樣進行分析。

2 生產(chǎn)過程調(diào)查

針對該批鋼材，對在壓延工序中過程控制進行了追溯。

煉鋼過程：從煉鋼整個環(huán)節(jié)看，無論是化學(xué)成分，還是鑄坯速度、二冷冷卻水、電磁攪拌、結(jié)晶器振動及液面波動，都在正?？刂品秶鷥?nèi)，沒有異常。

軋制、精整過程：該批產(chǎn)品從進爐加熱到軋材下線都正常，精整也未見異常。

從生產(chǎn)、精整過程看，都未有異常，但可出現(xiàn)斜錐化裂紋的因素有：（1）成品后冷卻滾輪軸承的水被誤操作，在扁鋼的側(cè)邊圓弧處某一點被激冷產(chǎn)生。原因為成品后冷卻滾輪軸承的水被誤操作，在扁鋼的側(cè)邊圓弧處某一點被激冷產(chǎn)生。存在扁鋼高溫下被激冷的現(xiàn)象。（2）停機時間較長導(dǎo)致扁鋼冷卻不均勻。有26 min的停機時間，停機的后果造成冷床整體溫度不均勻，扁鋼冷卻不均勻，存在硬度不均現(xiàn)象。同時厚度為11 mm的扁鋼接近于熱剪與冷剪的規(guī)格區(qū)分點，存在硬度不均現(xiàn)象，在剪切時可能產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。

3 試驗與分析

3.1 取樣

彈簧扁鋼制成成品出現(xiàn)斜錐裂紋，見圖1。在斜錐裂紋處取樣，見圖2。

圖1 斜錐裂紋

圖2 取樣部位

3.2 裂紋分析

3.2.1 裂紋源

后產(chǎn)生的裂紋不可能穿越原有的裂紋而擴展，裂紋源的裂紋較寬、較深，是最先形成的裂紋。裂紋分叉為裂紋的擴展方向，其反方向為裂紋的起始方向，見圖3。由圖顯示，裂紋源于表面，且有兩個裂紋源。主裂紋與側(cè)表面成45°。

圖3 裂紋宏觀形貌

3.2.2 裂紋的走向

將試樣置于液氮中浸泡后，沿裂縫敲擊，制備斷裂試樣。裂紋的走向是按應(yīng)力和強度兩個原則擴展的。對于脆性斷裂，裂紋的擴展方向一般是垂直于主拉伸應(yīng)力的方向。如圖3所示，兩個主裂紋平行，表明應(yīng)力和強度對其裂紋的影響是一致的。掃描電鏡的結(jié)果見圖4。

圖4 斷口形貌

3.2.3 裂紋周圍及裂紋末端

裂紋已經(jīng)發(fā)生脫碳及氧化，裂紋的末端較尖銳。見圖5。

圖5 裂紋形貌 500×

3.2.4 裂紋形成的模式

裂紋方向與正應(yīng)力垂直，裂紋源位于扁鋼的兩側(cè)，方向由雙邊向內(nèi)擴展。裂紋尾部分岔。按斷裂位移分類，裂紋斷裂為張開型，見圖6。其特點是起源處為平面應(yīng)變狀態(tài)，裂紋面與應(yīng)力軸相垂直，并沿著非結(jié)晶學(xué)平面或不嚴格地沿著結(jié)晶學(xué)平面擴展。裂紋偶合性差，新打斷的宏觀斷口為顯微狀斷口，而陳舊狀斷口為表面氧化層，見圖2。

圖6 張開型裂紋

3.3 缺陷出現(xiàn)的原因

3.3.1 硬度不均

硬度愈高，鋼的強度就愈高，但塑性相反。當(dāng)鋼板某些區(qū)域（扁鋼兩側(cè)圓弧區(qū)域硬度高）出現(xiàn)硬點時，在正應(yīng)力的作用下必然發(fā)生張開型裂紋。

3.3.2 剪切應(yīng)力

金屬的剪切過程可以分為以下幾個階段，刀片彈性壓入金屬階段。刀片塑性壓入金屬階段，金屬塑性滑移階段，金屬內(nèi)裂紋萌生和擴展階段，金屬內(nèi)裂紋失穩(wěn)擴展和斷裂階段。

在扁鋼下料時需采用冷剪切料。當(dāng)扁鋼的硬度較高時，其最大剪切力將提高；冷剪更使扁鋼的端頭產(chǎn)生冷加工強化效應(yīng)使端部的硬度升高，尤其是冷剪設(shè)備出現(xiàn)異常時將導(dǎo)致端部的斷面變形更加嚴重。因此可能在端部區(qū)域產(chǎn)生一些微裂紋。這些微裂紋便成為后道工序的裂紋源。

3.3.3 斜錐化加工過程中裂紋擴展

裂紋擴展失效是發(fā)生在彈簧扁鋼斜錐化加工

圖3顯示，缺陷主要有兩條幾乎平行排列的主裂紋發(fā)生在一側(cè)，其裂紋源一條發(fā)生在端部，另一條裂紋源距端部約10 mm的側(cè)面。圖1顯示，在另一側(cè)距端面約5 mm的側(cè)面處也有一條主裂紋。其裂紋開裂均為Ⅰ型開裂（見圖6）。

這表明，在彈簧工件斜錐化加工過程，由于加工正應(yīng)力的作用，扁鋼處于平面應(yīng)變狀態(tài)，裂紋抗力較低，易脆斷。裂紋將使端面附近區(qū)域由于硬度高及煎切應(yīng)力影響產(chǎn)生的微裂紋產(chǎn)生擴展。對于扁鋼，從表面到心部，屈服區(qū)的大小分布也不一樣。臨近表面的區(qū)域處于平面應(yīng)力狀態(tài)下而屈服區(qū)大；在板的中央，處于平面應(yīng)變狀態(tài)下，其屈服區(qū)小，所以在表面滑移剪切比較容易，其裂紋將沿最大切應(yīng)力方向擴展。裂紋與表面成45°。

3.3.4 改進措施

連鑄結(jié)晶器電磁攪拌和末端電磁攪拌相結(jié)合的復(fù)合電磁攪拌技術(shù)，并嚴格控制澆注過熱度，抑制了結(jié)晶過程中的偏析，使300×320方坯結(jié)晶組織均勻致密，經(jīng)過連軋開坯并酸洗修磨再加熱軋制成圓鋼，能充分保證內(nèi)在組織的均勻性。對硬度不均、剪切應(yīng)力問題，在目前情況下，確保生產(chǎn)過程的連續(xù)化，若出現(xiàn)15 min以上的停機時間，對此停機前后生產(chǎn)的20 min以內(nèi)的產(chǎn)品單獨管理，特殊處理，不供用戶，進一步降低終軋溫度，提高硬度的均勻性。

4 結(jié)語

通過分析，判斷彈簧扁鋼的斜錐裂紋，是由于生產(chǎn)過程異常，局部冷卻強度高，導(dǎo)致組織硬度不均，產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。通過強化連鑄坯的質(zhì)量，降低終軋溫度，控制扁鋼硬度，可降低此類缺陷發(fā)生率。