40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼是機(jī)械制造業(yè)應(yīng)用最廣泛的鋼種之一,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后其具有良好的低溫沖擊韌性及切削加工性能,主要被用于制造中速、承受中等載荷的零件,如汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)、后半軸、花鍵軸等[1]。某公司在對(duì)40Cr鋼棒材進(jìn)行剪切下料的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)部分料段有開(kāi)裂現(xiàn)象,該批次40Cr鋼棒材的生產(chǎn)加工工藝為：電爐連鑄→連軋成直徑為40 mm圓棒→矯直→表面砂輪扒皮→剪切下料。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該棒材開(kāi)裂的原因進(jìn)行分析,以避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

開(kāi)裂棒材的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：棒材表面為扒皮狀態(tài),砂輪扒皮殘留的痕跡明顯；開(kāi)裂部位與剪切面有一定距離,裂紋沿料段橫向裂開(kāi)；將開(kāi)裂部位進(jìn)一步打開(kāi),在橫截面處可見(jiàn)裂紋起源于棒材表面。 

圖  1  開(kāi)裂棒材的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在開(kāi)裂棒材上取樣,對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：該開(kāi)裂棒材的化學(xué)成分滿足GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求。 

1.3   掃描電鏡(SEM)分析

在棒材斷口處取樣,將試樣進(jìn)行超聲波清洗后,用掃描電鏡觀察其微觀形貌,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：開(kāi)裂起源于表面,呈河流狀解理斷裂特征,未見(jiàn)夾雜物、陳舊性裂紋等冶金缺陷。 

圖  2  斷口處SEM形貌

在棒材起裂源表面處取樣,對(duì)試樣進(jìn)行SEM分析,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：起裂源表面呈撕裂特征,未見(jiàn)明顯的冶金缺陷。 

圖  3  起裂源表面SEM形貌

1.4   金相檢驗(yàn)

沿起裂源部位剖開(kāi)試樣,在試樣縱截面上取樣,對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：裂紋斷口邊緣呈鋸齒狀,未見(jiàn)氧化鐵、非金屬夾雜物等缺陷,說(shuō)明裂紋產(chǎn)生于剪切過(guò)程。 

圖  4  裂紋源處縱截面的微觀形貌

試樣的顯微組織形貌如圖5所示。由圖5可知：起裂源附近表面有一層異常組織,該層組織有明顯的金屬流變線；內(nèi)部組織為鐵素體＋珠光體,為正常的熱軋狀態(tài)組織。 

圖  5  試樣的顯微組織形貌

2.   綜合分析

綜合上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,該開(kāi)裂棒材的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。棒材表面可見(jiàn)金屬光澤,且有沿棒材圓周方向分布的機(jī)械加工痕跡,該類(lèi)痕跡為棒材熱軋之后,采用砂輪機(jī)進(jìn)行表面扒皮后留下的加工痕跡；裂紋起源于棒材表面[2]。斷口呈解理斷裂特征,未見(jiàn)非金屬夾雜物、陳舊性裂紋等缺陷,說(shuō)明剪切開(kāi)裂與鋼中的夾雜物及棒材表面開(kāi)放性缺陷無(wú)關(guān),裂紋產(chǎn)生于剪切過(guò)程[3]。起裂源附近表面組織存在明顯異常,有明顯的金屬流線,屬于冷加工過(guò)程中形成的加工硬化組織,內(nèi)部組織為鐵素體＋珠光體,為正常的熱軋組織。 

表面異常的加工硬化組織為棒材發(fā)生剪切開(kāi)裂的主要原因。結(jié)合該棒材的生產(chǎn)工藝流程可知,矯直及砂輪打磨工序均屬于冷加工,異常的加工硬化組織應(yīng)形成于這兩個(gè)工序過(guò)程中。 

熱軋鋼材加熱后的原料存在一定的內(nèi)外溫度差、上下表面溫度差,且軋制過(guò)程降溫不均勻、壓下控制不合理等均會(huì)造成軋件延伸不均勻,從而導(dǎo)致棒材的平直度較差。為了保證棒材的出廠質(zhì)量,必須對(duì)熱軋棒材進(jìn)行矯直。根據(jù)棒材的規(guī)格及鋼種可選擇不同的矯直機(jī)及矯直方式。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,采用兩輥矯直機(jī)對(duì)開(kāi)裂棒材進(jìn)行冷矯直。在矯直過(guò)程中,兩輥矯直機(jī)依靠?jī)奢伩p內(nèi)部彎曲的曲率變化達(dá)到將棒材矯直的目的,因此在矯直過(guò)程中棒材承受了很大的矯直力,從而導(dǎo)致其表面形成加工硬化層。設(shè)置合理的參數(shù)可避免矯直后棒材表面形成異常的加工硬化層。 

砂輪打磨精扒皮可快速、高效地去除表面的脫碳層、裂紋等缺陷,達(dá)到較好的精度和粗糙度,但是不合理的打磨速率會(huì)導(dǎo)致鋼材內(nèi)部晶粒產(chǎn)生位錯(cuò)滑移過(guò)變形,發(fā)生過(guò)度的冷加工硬化現(xiàn)象,從而造成鋼材的硬度、強(qiáng)度顯著提高,塑性、韌性顯著降低,甚至出現(xiàn)細(xì)微裂紋等缺陷[4－6]。 

3.   結(jié)論及建議

該棒材發(fā)生了剪切開(kāi)裂,裂紋起源于表面的解理斷口,未見(jiàn)夾雜等缺陷,起裂源附近表面組織為冷加工過(guò)程中形成的加工硬化組織,表明表面異常的加工硬化組織為導(dǎo)致棒材發(fā)生剪切開(kāi)裂的主要原因。 

在對(duì)棒材進(jìn)行矯直時(shí),應(yīng)選用合適的輥縫、角度及打磨速率,避免棒材表面形成加工硬化層。在對(duì)棒材進(jìn)行砂輪打磨精扒皮時(shí),應(yīng)注意控制砂輪的打磨速率,避免因打磨過(guò)快或者過(guò)慢而使棒材表面產(chǎn)生過(guò)加工硬化現(xiàn)象。 

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