李祥才，田文庆

（青岛特殊钢铁有限公司 棒材研究所，山东 青岛266400）

60Si2MnA弹簧圆钢拉伸脆断原因分析

李祥才，田文庆

（青岛特殊钢铁有限公司 棒材研究所，山东 青岛266400）

针对60Si2MnA弹簧圆钢在拉伸检验时出现拉伸脆断的问题，利用金相显微镜、扫描电镜等观察分析手段，对热处理后的拉伸试样断口形貌进行检查分析；对热轧状态试样进行了化学成分、低倍组织、显微组织和奥氏体晶粒度的检测分析；对热处理拉伸样进行了夹杂物、组织和氧氮氢含量的检测分析。检验结果表明，热轧圆钢心部存在的氢致裂纹以及较高的氮含量是造成弹簧圆钢拉伸脆断的原因。

60Si2MnA弹簧圆钢；拉伸脆断；氮含量；氢致裂纹

1 前言

60Si2MnA圆钢是应用广泛的硅锰弹簧钢，强度高、弹性好、抗回火稳定性好，是主要的弹簧钢种，多用于汽车、发动机制造业和铁路行业，常用作稳定杆、扭力杆、螺旋弹簧、汽缸安全阀簧等部件。由于弹簧钢的工作条件十分苛刻，对其质量的要求就非常严格。近期青岛特殊钢铁有限公司生产的Φ30mm规格60Si2MnA热轧圆钢，拉伸试样按GB/T 1222—2007标准要求进行热处理，热处理后加工成拉伸试验标准样，按照GB/T 228.1—2010标准要求进行拉伸试验，结果试样断口出现明显无缩颈，导致拉伸脆断。为查明拉伸脆断的原因，对该弹簧圆钢母材和拉伸脆断样进行了理化检验分析。

2 理化检验

2.1 化学成分

对60Si2MnA钢拉伸脆断试样取样进行化学成分分析，结果如表1所示，60Si2MnA热轧圆钢化学成分符合GB/T 1222—2007标准要求。

表1 60Si2MnA钢拉伸样化学成分（质量分数）%

2.2 低倍检验

对60Si2MnA钢拉伸样母材取样品2块，做低倍酸蚀，低倍酸蚀严格按照GB/T 226—2015标准要求使用1∶1盐酸水溶液加热到70～80℃进行热酸蚀，酸洗时间为20min，酸蚀低倍组织见图1。从图1可以看出，2块母材样品中心均存在细小微裂纹。

图1 60Si2MnA钢酸蚀低倍组织

2.3 金相检验

2.3.1 母材金相检验

对60Si2MnA钢母材切取试样进行组织和奥氏体晶粒度检验，母材组织见图2，奥氏体晶粒度见图3。显微组织表明母材组织正常，奥氏体晶粒度达到11.0级以上，晶粒很细。奥氏体晶粒越细，弹簧钢的疲劳性能越好。母材显微组织和奥氏体晶粒度均表明，60Si2MnA钢的原始组织很好。

图2 60Si2MnA钢金相组织（S+P+少量F）

图3 60Si2MnA钢奥氏体晶粒度（11.5级）

2.3.2 热处理样金相检验

在60Si2MnA钢热处理拉伸样裂纹处分别切取金相试样进行非金属夹杂物检验，检验结果及标准要求见表2。检验结果表明夹杂物满足标准要求，应该不是拉伸脆断的原因。热处理后横断面试样组织为回火屈氏体，也符合标准要求，但是热处理样心部有裂纹，并且裂纹穿晶，见图4。

表2 60Si2MnA钢热处理拉伸样非金属夹杂物 级

图4 60Si2MnA钢热处理样金相组织及裂纹形貌

2.4 氧氮氢含量分析

对60Si2MnA钢拉伸脆断样进行氧氮氢含量检验，O 含量 13×10-6，N 含量 76×10-6，H 含量 1.90×10-6。检验结果表明，拉伸脆断样N、H含量较高。

2.5 断口分析

采用扫描电镜对拉伸脆断断口微观形貌进行观察，见图5。

图5 60Si2MnA钢拉伸脆断断口扫描电镜形貌

拉伸试样心部断口具有撕裂岭形貌（见图5a）和“舌状”花样（见图5b），同时心部个别区域也具有等轴韧窝特征。心部区域的撕裂岭形貌和个别区域的等轴韧窝特征是典型的准解理断裂特征，而“舌状”花样是典型的解理断裂特征。“舌状”花样是{100}解理面和形变孪晶的{112}解理面相交所形成的。当解理裂纹在｛100｝晶面上扩展遇到形变孪晶时，裂纹转移到｛112｝孪晶面上扩展一短距离后,重新回到｛100｝晶面时，就会形成“舌状”花样[1]。拉伸试样心部断口形貌表明，断口心部具有准解理和解理特征；同时可以看出，拉伸断口心部区域断裂是沿晶和穿晶脆性断裂，并伴有沿晶和穿晶二次裂纹。断口边部剪切唇断口形貌为具有方向性的细小剪切韧窝，并且韧窝底部无夹杂物，拉伸试样边部断裂是韧性断裂。因此，60Si2MnA钢拉伸脆断断口形貌具有氢致开裂特征[2]。

3 检验结果分析

理化检验结果表明，60Si2MnA钢拉伸试样的化学成分符合标准要求，钢的原始组织良好，晶粒细小，非金属夹杂物也满足标准要求，热处理样显微组织也符合弹簧钢热处理后显微组织要求。综合分析认为以上因素都不是导致60Si2MnA弹簧圆钢拉伸脆断的原因。气体含量检测表明，圆钢中的N、H含量较高。60Si2MnA弹簧圆钢的生产工艺为：LD转炉→LF精炼炉→CC连铸→轧制，没有进RH炉进行真空脱气处理，钢的原始低倍组织表明钢的心部有细小微裂纹，拉伸试样钢的心部组织也有微裂纹，这种情况说明热处理后拉伸试样心部微裂纹应该就是60Si2MnA弹簧圆钢原始母材低倍心部微裂纹。低倍表明该弹簧钢心部微裂纹有多个，形貌细小、刚挺，并且穿晶，这符合氢致裂纹的典型特征。同时断口电镜扫描表明断口心部具有准解理和解理断裂特征，心部区域断裂是沿晶和穿晶混合脆性断裂，并伴有沿晶和穿晶二次裂纹，而拉伸试样边部断裂是韧性断裂，这也符合氢致开裂特征。以上分析结果都表明拉伸断口具有氢致开裂特征。

氢致裂纹与白点[3-5]的产生原因类似，一般认为与钢材中氢含量较高有关。由于钢材中氢原子脱溶、聚集结合成氢分子，产生极大的压力，与热应力、组织应力或其他外力相互叠加，容易在钢中尤其是心部形成氢致裂纹，在做拉伸试验时导致圆钢拉伸脆断。同时60Si2MnA弹簧圆钢氮含量也比较高，氮含量高容易造成钢质发脆，在某种程度也容易造成拉拔脆断。60Si2MnA属于高强度合金弹簧钢，强度对氢的敏感性较强，即使在H含量不是太高的情况下，也容易在钢中形成氢致裂纹。

由于H的作用，60Si2MnA弹簧圆钢内部尤其是心部容易形成氢致裂纹，在拉伸过程中，随着应力的增加，试样会以氢致裂纹为裂纹源迅速进行扩展，同时再加上钢中N含量也比较高，钢质具有一定的脆性，在做拉伸试验时就会产生拉伸脆断。

4 结语

Φ30mm规格60Si2MnA弹簧圆钢拉伸脆断是由于氢的作用在拉伸试样内部形成氢致裂纹，拉伸时随着应力的增加，试样以氢致裂纹为裂纹源迅速扩展，同时由于钢中较高的氮含量，钢质具有一定的脆性，两者共同作用，造成在60Si2MnA弹簧圆钢做拉伸试验时产生拉伸脆断。生产60Si2MnA弹簧圆钢时，连铸坯料必须要经过RH炉进行真空脱气处理，必要时弹簧圆钢热轧后要放入缓冷坑进行缓冷处理，只有这样才能生产出性能合格的产品。

在此基础上，青岛特钢进行了第二次同规格60Si2MnA弹簧圆钢生产，生产连铸坯料经过RH炉真空脱气处理，成品气体检测表明，O含量7×10-6，N含量40×10-6，H含量1.10×10-6，氮氢含量有了大幅降低，各项性能指标满足标准要求，没有再出现拉伸脆断现象，客户使用后，反馈良好。

[1] 黄振东.钢铁金相图谱[M].北京：中国科技文化出版社，2000：1314-1317.

[2] 钟群鹏，赵子华.断口学 [M].北京：高等教育出版社，2006：270-290.

[3] 姜锡山，赵晗.钢铁显微断口速查手册[M].北京：机械工业出版社，2010：182-191.

[4] 隋然.钢中白点检验[J].钢铁研究，1997（5）：37.

[5] 赵坚，赵琳.优质钢缺陷[M].北京：冶金工业出版社，1991.

To the problem of tensile brittle failure of 60Si2MnA spring round bar in the tensile check,the fracturemorphology of tensile sample after heat treatment were inspected and analyzed bymeans ofmetallographicmicroscope and scanning electronmicroscope（SEM)and In-spections were carried out on the chemical composition,macrostructure,microstructure,austenitic grain size of hot rolled state sample and In-spections also were carried out on the non-metallic inclusion,microstructure and O/N/H contents of tensile sample after heat treatment.The test results showed themicro-crack induced by the H in the core of the hot rolled round bar and N content which was comparatively higher in the spring round bar were the reasons caused the tensile brittle failure of 60Si2MnA spring round bar in the tensile check.

60Si2MnA spring round bar;tensile brittle failure;N content;hydrogen induced cracking

Analysis on the Cause of Tensile Brittle Failure of 60Si2MnA Spring Round Bar

LI Xiangcai,TIAN Wenqing
（Round Bar Research Institute,Qingdao Special Iron and Steel Co.,Ltd.,Qingdao 266400,China）

TG142.1+5

A

1004-4620（2017）04-0036-03

2017-03-13

李祥才，男，1976年生，2008年毕业于安徽工业大学材料加工工程专业，硕士。现为青岛特钢棒材研究所工程师，从事特钢研发与生产工作。