分享：60Si2Mn彈簧鋼盤條卷簧過程中斷裂原因

60Si2Mn彈簧鋼具有良好的塑性、韌性，較高的屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度，且使用壽命較長，因此60Si2Mn彈簧鋼常用于制作螺旋彈簧、異形彈簧、渦卷彈簧、漸變載荷高應(yīng)力工作狀態(tài)要求的重要卷制彈簧，以及飛行器起落架等重要交通工具用的減震系統(tǒng)彈簧。彈簧鋼的品質(zhì)至關(guān)重要，需要嚴(yán)格把關(guān)生產(chǎn)、加工、運輸、存放等環(huán)節(jié)，以確保產(chǎn)品的化學(xué)成分控制精準(zhǔn)，內(nèi)部性能穩(wěn)定，尺寸及橢圓度等表面質(zhì)量良好。某批60Si2Mn彈簧鋼盤條在卷簧校直過程中發(fā)生脆性斷裂。該彈簧的生產(chǎn)工藝流程為：連續(xù)澆鑄生產(chǎn)圓坯→熱軋盤條→集卷打包→運輸至彈簧生產(chǎn)車間→校直→卷簧→熱處理。筆者采用一系列理化檢驗方法對該盤條斷裂的原因進(jìn)行分析，以避免該類問題再次發(fā)生[1-2]。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

沿垂直于盤條軋制方向截取橫向試樣，對盤條斷口進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：斷口為斜茬斷口，呈脆性斷裂特征，斷裂起源于盤條外表面，裂紋沿垂直于軋制方向擴(kuò)展，初斷區(qū)域斷面齊平，擴(kuò)展區(qū)在三向應(yīng)力的作用下撕裂成斜茬狀；斷裂源處可見沿軋制方向的有亮白金屬光澤的擦蹭痕跡，該處形貌明顯與其他位置不同。 

圖  1  盤條斷口宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

利用直讀光譜儀對斷裂盤條進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂盤條的化學(xué)成分符合GB/T 1222—2016 《彈簧鋼》的要求。 

1.3   掃描電鏡（SEM）分析

在盤條斷口處取樣，將試樣用乙醇超聲清洗干凈，再置于SEM下觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：斷裂源附近斷面較平，初斷位置存在明顯的小平臺，小平臺處有磨損痕跡，附近可見細(xì)小的韌窩；擴(kuò)展區(qū)呈典型的解理形貌特征；擦蹭位置有沿著軋制方向排列，開口方向垂直于軋制方向的成排裂紋。 

圖  2  盤條斷口處SEM形貌

1.4   金相檢驗

在斷裂盤條斷裂源位置的橫截面上截取試樣，對試樣進(jìn)行金相檢驗，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：缺陷位置可見黃亮色組織，即隱晶馬氏體，馬氏體和基體組織過渡區(qū)組織嚴(yán)重變形，其他位置為正常的珠光體+鐵素體，符合企業(yè)的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求。 

圖  3  斷裂盤條斷裂源位置顯微組織形貌

為進(jìn)一步探究是否可通過熱處理改善缺陷產(chǎn)品中的異常組織，對試樣進(jìn)行退火處理，退火工藝為：將試樣加熱至870 ℃，保溫30 min后隨爐冷卻。對熱處理后的試樣進(jìn)行金相檢驗，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：原隱針馬氏體位置的組織已轉(zhuǎn)變?yōu)檎５闹楣怏w+鐵素體。 

圖  4  退火后斷裂源位置顯微組織形貌

沿斷裂盤條直徑方向縱向切割取樣，對試樣進(jìn)行磨拋處理，按照GB/T 10561—2023 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》，對試樣進(jìn)行非金屬夾雜物分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知：試樣中非金屬夾雜物級別符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1222—2016的要求。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知：斷裂盤條的化學(xué)成分、非金屬夾雜物等級均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，材料組織為珠光體+鐵素體。盤條斷裂源位置可見擦蹭痕跡的小平臺，平臺附近斷口呈細(xì)碎韌窩形貌，擴(kuò)展區(qū)呈典型解理斷口特征。裂紋源一側(cè)表面有嚴(yán)重的擦蹭痕跡，并伴隨有垂直于盤條軋制方向的成排橫向裂紋。斷裂源位置的組織為黃亮色隱針馬氏體，靠近隱針馬氏體的組織發(fā)生嚴(yán)重變形，其他位置為正常組織形態(tài)[3-4]。 

當(dāng)金屬表面瞬間升溫至奧氏體化溫度后急速降溫，材料在該過程中相當(dāng)于進(jìn)行了淬火，極易形成淬火后硬相組織。當(dāng)這一過程發(fā)生時間很短，瞬間升溫形成的奧氏體晶粒內(nèi)溶質(zhì)元素濃度分布不均勻時，可將淬火區(qū)域分為多個溶質(zhì)濃度不同的微觀區(qū)域，每個不同溶質(zhì)濃度的小區(qū)域都有其各自的馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度點，淬火發(fā)生的瞬間沒有足夠時間使材料經(jīng)歷典型的奧氏體均勻化、高溫回復(fù)、晶粒長大、再結(jié)晶這一過程，奧氏體小區(qū)域切變過程中得到晶粒極其細(xì)小的馬氏體，此時馬氏體內(nèi)部的典型針過小，因此不能明顯被觀察到，成為了黃亮色的隱針馬氏體。由于馬氏體的硬度高、塑性差，在校直過程中受力時，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生了微裂紋，裂紋瞬間擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料斷裂。 

馬氏體區(qū)域的硬度高、塑性差，與基體的變形不同步，在馬氏體和基體間容易形成擠壓扭曲變形的過渡層，過渡層組織變形屬于塑性變形。該位置在變形過程中產(chǎn)生大量的位錯，位錯繼續(xù)運動積塞，使垂直于變形方向產(chǎn)生纖維化組織，該過程屬于硬化過程，該處硬度高于基體，并存在極大的內(nèi)應(yīng)力，在校直過程中加快了材料的脆斷過程。 

通過對生產(chǎn)工序和生產(chǎn)后的包裝、吊裝、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的跟蹤，發(fā)現(xiàn)該批產(chǎn)品在打包前沒有明顯表面問題，在下一工序進(jìn)行前，拆包后的試樣表面存在局部擦傷現(xiàn)象，判斷該批試樣的表面缺陷是在打包過程中產(chǎn)生的。在盤條打包過程中[5-6]，當(dāng)打包線與基體無防護(hù)措施時，盤條容易發(fā)生瞬間碰撞和擦蹭，導(dǎo)致接觸位置的基體發(fā)生明顯變形，嚴(yán)重時會產(chǎn)生較高溫度，形成淬火組織，此外，盤條內(nèi)部線圈與線圈之間的擠壓摩擦也會導(dǎo)致材料產(chǎn)生表面局部缺陷。 

將斷裂盤條進(jìn)行退火處理，原隱針馬氏體位置的組織已轉(zhuǎn)變?yōu)檎５闹楣怏w+鐵素體，說明退火處理可以改善由硬相組織產(chǎn)生的應(yīng)力集中問題[7-8]。 

3.   結(jié)論及建議

斷裂盤條在打包過程中產(chǎn)生了表面缺陷，在卷簧校直過程中，盤條受到校直力的作用，缺陷位置處產(chǎn)生應(yīng)力集中，并萌生裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致盤條斷裂。 

建議做好打包線點檢工作，在打包線和盤條之間進(jìn)行隔離防護(hù)，避免打包過程中打包機(jī)滑道與盤條之間出現(xiàn)擦蹭，或盤條間出現(xiàn)擠壓摩擦。利用叉車調(diào)運時，防止發(fā)生嚴(yán)重擦蹭，入庫時減少搬運次數(shù)。控制盤條成品的橢圓度，調(diào)整好設(shè)備孔型，避免在后期校直過程中，盤條與設(shè)備孔徑發(fā)生局部異常摩擦。對存在局部淬火硬脆組織的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，可緩解校直過程中的斷線情況。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)