S15A深沖鋼組織形態對沖擊性能的影響

謝 華

(兵器工業西北地區理化檢測中心，西安 710043)

S15A深沖鋼具有很好的延展性，廣泛用于加工深沖零件，對材料的韌性有較高的要求。筆者利用室溫沖擊試驗的方法，對具有不同形態的游離滲碳體組織的筒狀零件材料進行了缺口敏感性研究。

1 試驗材料和試樣

試驗用材料為S15A深沖鋼。試樣取自筒狀零件的底部，編號為1#、2#，分別代表兩個不同批次的筒狀零件。筒狀零件底部的加工工藝是兩次冷鐓壓力加工，每次冷鐓后進行退火處理，兩次冷鐓總變形量為83%。

試驗分為化學成分分析、拉伸試驗、沖擊試驗、金相分析和沖擊斷口形貌分析。

化學成分分析的試樣和金相試樣取自1#、2#產品的底部，拉伸試樣為?5 mm的短標距試樣，沖擊試樣為10 mm×10 mm×55 mm的U型夏比缺口試樣(缺口深2 mm)。兩批產品的拉伸和沖擊試樣取樣位置和取樣方向分別相同。

2 試驗方法和結果

2.1 化學成分分析

在CS-344碳硫分析儀和電感偶合等離子體發射光譜儀上分析兩批零件的化學成分，結果列于表1。

表1 試樣的化學成分 %

化學成分檢測結果表明，材料化學成分符合GJB163B-2005中S15A鋼的要求，并且兩批零件的材料化學成分沒有明顯的區別。

2.2 拉伸、沖擊試驗

在MTS810型材料試驗機上進行拉伸試驗，測試材料的拉伸性能；在SI-1M型擺錘沖擊試驗機上進行沖擊試驗，測試材料的沖擊功，試驗結果見表2。

表2 拉伸和沖擊試驗結果

試驗數據表明，1#和2#兩批材料的抗拉強度、規定非比例延伸強度、延伸率和斷面收縮率指標基本一致，均符合技術資料規定。但2#的沖擊功僅為1#的1/4。

2.3 金相組織分析

在筒狀零件底部取金相試樣，沿平行于壓力加工變形的方向磨制金相試樣，經4%硝酸酒精腐蝕后在金相顯微鏡上觀察金相組織。圖1、圖2分別是1#、2#材料的金相組織照片(500X)。

1#材料的金相組織為鐵素體和沿晶界分布的游離滲碳體，游離滲碳體呈粒狀分布。2#試樣的金相組織也是鐵素體和沿晶界分布的游離滲碳體，但游離滲碳體呈片狀分布。

圖1 1#材料金相組織

圖2 2#材料金相組織

為進一步確認兩種試樣的不同滲碳體形態，在掃描電子顯微鏡下觀察游離滲碳體形態，照片見圖3、圖4，照片中白色為滲碳體。從圖中可明顯看出，1#材料的滲碳體呈粒狀，2#材料的滲碳體呈片狀。

圖3 1#材料在掃描電子顯微鏡下滲碳體形態

圖4 2#材料在掃描電子顯微鏡下滲碳體形態

2.4 沖擊斷口電鏡形貌分析

在FEI QUANTA400掃描電子顯微鏡上分析沖擊試樣的斷口形貌。圖5、圖6分別是1#-1、2#-1試樣沖擊斷口的宏觀照片。可以看出，1#-1試樣斷口塑性變形非常大，為韌性斷裂；2#-1試樣斷口齊平，塑性變形小，斷口呈晶亮狀，為脆性斷裂。

圖7、圖8分別是1#-1、2#-1試樣沖擊斷口的微觀形貌照片。1#-1試樣斷面為變形拉長的拋物線狀韌窩，表明塑性變形量大；2#-1試樣斷面以解理形貌為主，解理呈泥狀花樣，為脆性斷裂特征。

圖5 1#-1試樣沖擊宏觀形貌

圖6 2#-1試樣沖擊宏觀形貌

圖7 1#-1試樣沖擊斷口微觀形貌

圖8 2#-1試樣沖擊斷口微觀形貌

3 結果分析

1#與2#材料的拉伸性能基本相同，但是2#材料的沖擊功遠遠低于1#，這說明兩種材料的缺口敏感性有較大的差異。

S15A鋼中的游離滲碳體是鋼在冷卻過程中，當碳在鐵素體中的溶解度達到飽和時，從鐵素體中沿晶界析出的。這些沿晶界分布的游離滲碳體對材料的韌性有一定的影響。1#材料的游離滲碳體呈粒狀分布，且分布均勻，按照GB/T13299-1991《鋼的顯微組織評定方法》評定，游離滲碳體級別為C1級。2#材料的游離滲碳體呈網狀，包圍鐵素體晶粒周邊達到1/3，游離滲碳體級別達到A3級，并且其游離滲碳體的微觀形態呈片狀，見圖4。

1#材料的游離滲碳體呈點狀、小粒狀分布于鐵素體晶界，鐵素體晶粒沒有完全被游離滲碳體割裂開，即使在高應變速率的沖擊載荷作用下，位錯也可以越過晶界大范圍移動，因此1#材料塑性變形大，則沖擊功較大。

2#材料的游離滲碳體將鐵素體晶粒割裂，并且呈片狀形態，大大降低了晶界強度，使晶界脆化，在高應變速率的沖擊載荷下，位錯很難越過晶界，位錯在晶界大量聚集形成裂紋并迅速擴展，因此2#材料的沖擊功較小。

由于沖擊試樣上的缺口產生應力集中效應，因此沖擊功大小對材料的缺口非常敏感。拉伸試驗測定的強度和塑性指標很難評定材料對缺口的敏感性。所以兩批材料的拉伸指標區別不大，沖擊功卻有非常大的區別。

S15A鋼用于制做深沖零件,由于料壞表面凹坑或較深的刀痕以及附著在料坯上的外來氧化皮，在冷鐓過程中會在材料表面形成折疊，這相當于在零件表面形成缺口。如果零件表面存在這種折疊缺陷，并且材料中的游離滲碳體呈片狀形態，在大能量沖擊載荷作用下，就會發生開裂破壞。

4 結論

S15A深沖鋼退火態材料的游離滲碳體呈片狀分布時，缺口敏感性很大，抗沖擊載荷能力大大降低，使用中容易發生開裂破壞。生產中應注意控制退火工藝，避免形成片狀游離滲碳體組織，并應確保形成粒狀游離滲碳體組織。

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