50SiCrMo超高强度钢板裂纹分析*

2021-10-25徐鸿昊王春奕张全新

工程技术研究 2021年17期

徐鸿昊，朱斌，王春奕，张全新

重庆钢铁研究所有限公司，重庆 400084

50SiCrMo是一种超高强度马氏体钢，强度可超过2000MPa，由于其高强度和低韧性的特点，对该材料采用常规的机械加工方式已变得十分困难[1]。在某公司生产的50SiCrMo超高强度钢板成型工艺中采用激光切割加工，切割后把钢板于室温下放置一定时间，在其中心部位出现沿轧制方向延伸的分层裂纹。钢板的生产工艺为冶炼→浇注成坯→热轧板卷→退火→开卷→淬回火→激光切割成型。针对切割开裂问题，对钢板进行取样检验，结合生产工艺分析加工方法对材料组织的影响和裂纹形成原因，针对形成原因制定适宜的加工成型工艺和过程控制要点。

1 理化检测

1.1 材质和性能检测

在分层裂纹部位切取试样进行化学成分分析，并在开裂钢板附近的无裂纹扩展部分切取完好试样进行力学性能检测。检测结果如表1、表2所示。从检测结果可知，钢板化学成分、力学性能均符合标准要求。

表1 钢板化学成分单位：%

表2 钢板力学性能

1.2 金相组织和裂纹观察

对钢板金相样品进行腐蚀后观察基体组织，钢板基体组织为回火马氏体和少量残余奥氏体组织，组织未见明显异常，但钢板中存在带状组织偏析现象，如图1所示。从开裂钢板的宏观低倍观察得知，钢板沿轧制方向呈现分层式开裂，裂纹细小笔直，呈现典型的应力裂纹特征，裂纹内部开裂面未发现氧化皮，裂纹附近未见非金属夹杂物聚集和大颗粒夹杂物，夹杂物级别为A0.5、B0.5、C0.5、D1.0，符合标准要求。对裂纹试样进行金相组织高倍观察，裂纹边缘无氧化和脱碳，裂纹附近组织与未开裂钢板基体组织无明显区别，但裂纹附近的组织也存在较明显的带状偏析现象，如图2所示。同时，在对裂纹试样的激光切割表面的组织进行观察时发现，切割表层存在大量残余奥氏体，试样近表层的热影响区为针状马氏体和残余奥氏体组织，其内部的残奥含量与基体相比有明显增多，如图3所示。激光切割表面粗糙度较高，表面及近表组织中存在较多的微缺陷，如图4所示。

图1 基体组织及带状偏析

图2 裂纹附近组织及激光切割表面

图3 热影响区的组织

图4 切割表层的微缺陷

2 50SiCrMo超高强度钢板裂纹分析

原材料质量、热加工、热处理等都是决定钢板质量的重要因素，经检测分析得知，开裂的钢板在其裂纹附近未见非金属夹杂物聚集和大颗粒夹杂物分布，开裂钢板的夹杂物级别、化学成分、力学性能均符合标准要求，钢板材质未见异常，因此裂纹的形成与钢板材质和性能没有直接关系。

50SiCrMo是属于超高强度钢，强度超过2000MPa，常规机加方式难以对钢板进行有效加工，开裂的超高强度钢板加工方式是激光切割，通过瞬间产生足以使钢板气化的高温对钢板进行切割，切割温度远高于材料奥氏体化温度，在切割边缘形成严重的过热和过烧组织，在其近表产生热影响区，切割部位附近2～3mm区域内的组织发生局部相变，同时在切割后表面形成较多微缺陷。钢板在切割时的高温下形成稳定的奥氏体，奥氏体在冷却时不能完全转变为马氏体，部分残留在钢板中，切割边缘热影响区组织内部可见大量残奥存在于马氏体间隙中。残奥硬度较低，与马氏体相差较大，造成组织和硬度不均，形成组织应力，加上切割时表面形成的微缺陷，使得钢板更易在该处形成应力集中，若未能及时回火，这种残余应力将无法消除而保留在钢板切割表面[2]。

钢板厚度中心部位存在较明显的带状偏析，这将加重钢板的开裂倾向。在钢的冶炼过程中，钢锭或钢坯的心部会有相对较为严重的成分和组织偏析，这种偏析通过热处理无法消除，50SiCrMo的C、Si含量较高，而Si的偏聚会加重C的偏聚，造成钢板成分和组织的偏析，因此钢板心部的带状偏析较其他部位更为严重，这将加剧钢板心部的开裂趋势[3]。轧制成材的钢板中心部位是最为薄弱的部分，因此通常钢板裂纹都在钢板心部形成并沿纵向扩展。钢板在激光切割造成的热应力和组织应力作用下，其最为薄弱的中心部位切割表面和热影响区形成应力集中，当这种应力集中超过材料的强度极限时，心部会形成裂纹源并沿纵向逐渐扩展，最终造成钢板分层开裂。