吴翔; 左秀荣; 蔡明晖; 赵威威
【期刊名称】《《材料与冶金学报》》
【年(卷),期】2019(018)004
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【总页数】7页(P280-285,299)
【关键词】NM500耐磨钢; 延迟裂纹; TiN; 组织应力
【作 者】吴翔; 左秀荣; 蔡明晖; 赵威威
【作者单位】郑州大学 材料物理教育部重点实验室 郑州 450052; 东北大学 材料科学与工程学院 沈阳 110819
【正文语种】中 文
【中图分类】TG142.72
随着我国机械行业的不断发展，耐磨钢的应用越来越广泛，对耐磨钢板性能的要求也越来越高.与传统的高锰钢、耐磨铸铁、特种耐磨钢相比，低合金高强度马氏体耐磨钢由于其低的合金元素含量、简单的生产工艺、优良的塑性加工性能以及优越的强韧性和耐磨性而备受关注，在采矿设备、建筑机械、冶金行业、军事等领域得到大量应用，具有广阔的市场前景和经济效益[1-3].
近几十年，关于低合金高强度耐磨钢的组织和性能，学者们已经做了很多研究，并获得很多重要结果[4-6].但随着耐磨钢板的硬度级别和厚度尺寸的增加，后续切割工艺不当带来的延迟裂纹成为钢板最常见和最严重的缺陷之一.关于延迟开裂的机理，目前有很多理论，如空洞内气体压力学说、位错陷阱捕氢学说、氢吸附理论和三轴应力晶格脆化学说等.其中，氢的应力诱导扩散理论是最符合发生延迟裂纹过程中氢和应力交互作用的理论[7].基于该理论，一些专家学者探究了耐磨钢板在生产过程中出现的延迟裂纹现象.例如，范丹萍等[8]研究了低钢级NM360开裂原因，判断中心偏析和疏松为裂纹源，并提出一定改善措施.张涛等[9]研究了厚规格NM400切割延迟裂纹，将原因归结为钢板中心缺陷.姜金星等[10]利用有限元模拟和实验相结合对NM450钢板的裂纹进行了分析，发现厚度中心缺陷和淬火过程内应力是裂纹产生的根本原因.
背胶橡皮布本文针对50 mm厚规格的NM500耐磨钢板经火焰切割后存在的延迟裂纹现象，采用金相显微镜对裂纹宏观形貌进行观察，以判断裂纹相互引导诱发关系；基于硬度测试，研究火焰切割高温对裂纹形成的影响；利用扫描电镜和能谱分析仪对夹杂物进行观察及分析；借助扫描电镜和透射电镜对基体组织进行精细表征.在此基础上，综合分析了NM450耐磨钢板经火焰切割后出现延迟裂纹的机理.
1 实验材料与方法
实验材料为轧制后淬火回火的NM500钢板，其厚度约为50 mm，化学成分如表1所示.钢板的淬火和回火温度分别为905 ℃和190 ℃.回火后静置冷却，钢板横向齐头火焰切割，在钢板的横断面上用染剂染后发现存在网状分布裂纹，如图1(a)所示.
采用线切割取图1(b)所示位置裂纹进行分析，试样尺寸(厚×长×宽)为50 ×15 ×10 mm.采用OLYMPUS-BX51M金相显微镜(OM)对裂纹进行观察，研究裂纹扩展情况.用XHD-2000TMSC数显维氏硬度计进行硬度测试，测试位置为试样轧向面.采用JSM-6700扫描电子显微镜(SEM)观察试样夹杂物形貌，用INCA-ENERGY能谱分析仪(EDS)对夹杂物化学成分进行分析.试样经体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，用OM和SEM观察基体微观组织. 取钢板厚度中心试样经10%高氯酸酒精溶液双喷减薄后采用JEM-2100F透射电镜(TEM)观察马氏体板条、碳化物形态.
表1 实验用NM500钢板的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the tested NM500 steel plate (mass fraction) %CMnPSSiNi+Cr+CuNb+Mo+VTiNFe0.280.910.010.00130.2971.040.3520.0210.0036Bal.
图1 NM500钢板火焰切割面的宏观裂纹Fig.1 Macro-cracks on the flame cutting surface of NM500 steel plate(a)—裂纹的形貌； (b)—取样示意图.
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2 实验结果及讨论
2.1 裂纹形貌分析
图2(a)为所取试样裂纹示意图，图2(b)为火焰切割面裂纹扩展OM图.其中，1为最上方横裂纹与上半段纵裂纹交汇处放大图；2为第二条横裂纹与上半段纵裂纹交汇处放大图；3为第二条横裂纹与下半段纵裂纹交汇处放大图；4为下半段纵裂纹止裂处发大图.由图2(a)可知，裂纹在横断面上呈现曲折扩展形貌，横纵裂纹交互缠结；然而， 图2(b)-1 表明：试样
最上方的横裂纹与纵裂纹无交叉点，且上端接近横裂纹处的纵裂纹末梢呈现钝化止裂状态，这说明此横裂纹与纵裂纹在萌生扩展过程中呈现独立状态，无相互引导诱发关系.图2(b)上半段纵裂纹曲折扩展，且存在多处二次横裂纹，这些二次横裂纹短小且扩展曲折.观察图 2(b)-2 发现，横裂纹张开度较纵裂纹大，两者之间存在细小曲折分叉连接，判断此处横裂纹萌生扩展后诱发纵向缺陷使得纵裂纹萌生，延伸过程中引发细小二次横裂纹消耗能量，至上部时止裂.图 2(b)-3 中显示下半段纵裂纹上端与横裂纹间存在细窄裂纹连接，纵裂纹从上至下因能量大且阻碍小而能平直扩展，纵裂纹尾端延伸曲折且存在较大拐折，裂纹尾部收敛细化，但末梢存在钝化口，说明下半段纵裂纹由横裂纹诱发，扩展过程中由钢中本身缺陷作为驱动力驱使，在横断面上向下延伸时最终受近表面组织阻碍而止裂，如图 2(b)-4 所示.
图2 NM500钢板火焰切割面的微观裂纹Fig.2 Micro-cracks on the flame cutting surface of NM500 sample(a)—裂纹扩展示意图； (b)—裂纹扩展OM图.
图3(a)为试样横纵向裂纹轧向扩展示意图，将试样横裂纹在轧制方向上的扩展标为1和2号裂纹，将纵裂纹在轧制方向上的扩展标为3和4号裂纹，对四条裂纹分别观察，得到图3(b).
由图3(b)可知，试样中1号裂纹即上端横裂纹沿轧向的扩展长度为4.9 mm，裂纹较为曲折；2号裂纹即试样厚度中心处横裂纹扩展长度为2.3 mm，张开度较小，裂纹强度较弱，局部曲折扩展.试样中3号纵裂纹沿轧制方向的扩展长度为7.1 mm，裂纹张开度均匀，延伸平直；4号裂纹为纵裂纹沿着轧向的扩展，其长度为12.5 mm，此裂纹在轧向上张开度最为严重，且收敛平滑，无明显止裂转折部位，其扩展长度也最长.四条裂纹在轧向的扩展尾部均为狭长收敛状况，异于纵裂纹在火焰切割面的钝化止裂，为能量耗尽的宏观表现.根据横纵裂纹在轧向上扩展情况判断，横裂纹驱动力较小，且萌生后出现曲折扩展、张开度较小、延伸距离较短的形貌最终能量耗尽收敛，纵裂纹驱动力较大，在轧向上无明显止裂情况，扩展平滑、张开度较大、延伸距离较长，但根据其在钢板近表面钝化止裂的情况分析，在厚度方向存在优异的止裂因子阻止裂纹扩展.
图3 NM500钢板横纵向裂纹的轧向扩展情况 Fig.3 Propagation of both transverse and longitudinal cracks along the rolling direction of the NM500 steel plate(a)—裂纹轧向扩展示意图； (b)—裂纹轧向扩展OM图.
2.2 硬度分析
材料的硬度与其碳含量密切相关，碳含量越高则材料的硬度越高.为了进一步说明裂纹是否受到火焰切割高温影响，在横纵向裂纹附近沿着轧向进行了一系列硬度测试，如图4(a)插图中虚线所示.硬度测试结果如图4(a)所示，可以看出：在距火切面0～4 mm范围内，硬度值随着距离增加而呈递增的趋势，随后逐渐趋于稳定，这表明火焰切割的热影响区约为4 mm.热影响区的范围与横裂纹在轧向上扩展深度基本一致，因此，可以确定火焰切割的高温热影响使硬度降低，且横裂纹主要与此处高温热影响有关.图4(b)为试样厚度方向的硬度分布情况，表明：在NM500板材厚度中心存在低硬度区，且在此区域内硬度值波动较大.
图4 NM500板材纵、横裂纹附近的硬度分布 Fig.4 Hardness distribution in the heat affected zone of the NM500 steel plate(a)—沿轧向热影响区； (b)—板材厚度方向.
2.3 夹杂物分析
在冶炼过程中，夹杂物水平是影响钢水纯净度的制约因素[11].一些夹杂物因尺寸较大、抗变形能力与基体迥异而在轧制后破碎形成孔洞、尖角，这些夹杂物的数量、尺寸、分布、形态往往影响着试样内部组织的连续性，会在孔洞和尖角处形成应力集中，继而影响钢的HIC(Hydrogen-Induced Cracking)敏感性[12].
图5为实验钢中TiN夹杂物形貌与成分.在连铸过程中存在规则外形的大尺寸硬质TiN夹杂，轧制后从氧化物核心部位沿变形流变方向破碎从而形成尖角与孔洞，在尖角处极易形成应力集中，而夹杂物中心孔洞则成为H聚集的位点，从而在孔洞中形成氢分子极易被较小外力诱发引发氢脆.
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三相四极插头图5 NM500钢中TiN夹杂物Fig. 5 TiN inclusions in the NM500 steel plate(a)—TiN夹杂物形貌； (b-e)—能谱分析.
2.4 微观组织分析
合规管理系统众所周知，材料的力学性能与其微观组织密切相关.由图4可知，火焰切割面硬度的降低和厚度中心硬度值的波动主要由不同区域的微观组织差异所引起的.NM500钢板典型区域的微观组织如图6所示.钢板上表面的显微组织主要为马氏体，且马氏体束长宽比较小，边界分明，如图6(a)所示；板材厚度方向1/4处的显微组织为马氏体+贝氏体+碳化物，且马氏体边界弱化，如 图6(b) 所示；在板材试样厚度1/2处，马氏体析出的碳化物数量增加，马氏体板条边界已模糊不清，如图6(c)所示.由于淬火时钢板厚度方向不同部位的冷却速度和成分存在差异，因此材料的微观组织在厚度方向也不尽相同，从而容易引起较大的组织应力.图
6(d)为火焰切割面厚度中心处的显微组织，可以看出：虽然马氏体保持一定的板条形貌，但析出碳化物的体积分数进一步增加，即火焰切割高温致使碳化物大量析出，这也就解释了上述所提及热影响区硬度降低的原因.
图6 NM500钢板不同区域的扫描组织 Fig.6 SEM microstructures of the NM500 steel plate(a)—上表面; (b)—厚度1/4; (c)—厚度中心; (d)—火焰切割面.
图7 NM500钢板厚度中心区域透射电镜下的组织形貌Fig.7 TEM morphologies of the area at the center along the thickness of NM500 steel plate
图7为NM500钢板厚度中心区域透射电镜下的微观组织形貌.可以观察到马氏体板条与针叶状下贝氏体组织，并存在多位错缠结和碳化物析出，这表明钢中局部成分偏析的存在.
3 分析与讨论
钢中规则形貌TiN夹杂尺寸大且数量多，轧制后易破碎形成孔洞吸附H.氢的应力诱导扩散理论认为[7,13]，金属内部氢总是优先向孔洞扩散，并发生聚集形成高应力区，且随着氢含量的增加，高应力区的应力不断增大，其脆性也因位错移动受阻而增加.当局部应力超过基体
抗变形强度临界值时，高应力区发生开裂，同时，在裂纹尖端形成三向应力区，氢不断向三向应力区扩散、聚集，当裂纹尖端局部的应力达到临界值时，裂纹又发生新的扩展.这一过程周而复始持续进行，直至成为宏观裂纹.可见，氢致延迟裂纹是由许多单个的微裂纹合并而成的宏观裂纹，而微裂纹的产生可归结于钢中夹杂物、微孔洞的起裂.
对于50 mm厚的NM500钢板，在板材厚度方向容易因淬火冷却速度的差异引起组织应力.一方面，钢板表面和心部在淬火冷却过程中发生马氏体相变的先后顺序不一，先接触淬火冷却水的钢板表面温度降到Ms点以下，组织由过冷奥氏体转变为马氏体，体积膨胀，而心部仍为奥氏体；随着冷却的继续进行，心部冷速降低而出现贝氏体组织，同时部分组织转变为马氏体，向外膨胀时受到表面硬相马氏体的约束，导致钢板心部受到拉应力，表层受到压应力.另一方面，厚钢板在连铸过程中发生选分结晶，溶质元素分布不均匀，在铸坯厚度中心形成成分偏析，使得Ms点降低，推迟了马氏体相变，导致钢板淬透不完全，从而使厚度中心组织不均匀而带来更高的组织应力.火焰切割是采用高温火焰气体融化钢板的原理，在切割过程中钢板不可避免的承受高温状态，火焰切割的热影响区内马氏体受热析出较多的碳化物，有利于改善材料的塑韧性，但也降低了火切面强度.
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