0Cr13鐵素體不銹鋼絲在模壓過程中開裂的原因

徐楊，宋仁伯，王賓寧，賈翼速

（北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083）

0 引 言

鐵素體不銹鋼是鉻含量在11%～30%（質量分數，下同）之間且具有體心立方晶體結構的不銹鋼，它一般不含鎳，有時會含有少量鉬、鈦、鈮等元素。這類鋼具有導熱系數大、膨脹系數小、抗氧化性好、抗應力腐蝕性能優良等特點，多用于制造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件［1－2］。0Cr13不銹鋼是鉻含量最低的一種鐵素體不銹鋼，具有良好的塑、韌性和冷成型性，同時其耐蝕性也優于碳含量高的1Cr13、2Cr13等馬氏體不銹鋼。0Cr13不銹鋼主要用于制造耐水蒸氣、碳酸氫銨母液、熱的含硫石油腐蝕的部件和設備的襯里，如汽輪機葉片、結構架、螺栓、螺帽等［3－5］。

某鋼廠生產0Cr13不銹鋼絲的工藝為：熱軋盤卷→酸洗→皮膜處理→冷拔→水洗→烘干→模壓→表面處理→收線。其中，冷拔過程為4道次拉拔，熱軋盤卷的直徑為5.50mm，經第1，2，3，4道次拉拔后鋼絲的直徑分別為4.50，3.80，2.20，1.61mm；將冷拔后的鋼絲在未退火狀態下利用模具壓扁，最終成品絲截面為矩形，寬度為1.84mm，厚度為1.20mm。

0Cr13不銹鋼絲在冷拔過程中未發生開裂，但在模壓過程中發生了開裂，開裂形貌如圖1所示。為找出0Cr13不銹鋼絲在模壓過程中開裂的原因，從而為模壓工藝的優化提供理論支撐，作者從化學成分、微觀組織、開裂形貌特征及夾雜物分布等方面進行了分析。

圖1 0Cr13不銹鋼絲開裂的宏觀形貌Fig.1 Macrograph of cracked 0Cr13stainless steel wire

1 理化檢驗及結果

1.1 化學成分

采用線切割在發生開裂的0Cr13不銹鋼絲上取樣，通過化學分析法對開裂試樣的化學成分進行分析。由表1可知，開裂不銹鋼絲中的主要元素鉻、硅、鎳均在國標范圍內；碳含量為0.13%，明顯高于國標中碳含量的規定值；鉻含量為10.36%，低于國標中鉻含量的下限值；錳含量為0.8%，比國標中要求的低0.2%。

碳是不銹鋼中最主要的元素之一，并且是馬氏體不銹鋼中重要的強化元素，其含量較低時可以擴大γ相區，強烈地促進奧氏體的形成。鉻是不銹鋼中最重要的合金元素，可以縮小封閉γ相區和擴大α相區，溶入鐵素體后可以提高鐵素體的電極電位；同時鉻也是碳化物形成元素。錳可以擴大γ相區，穩定奧氏體，在低碳高錳不銹鋼中，具有促成和穩定鋼中奧氏體組織的作用。鉻是決定不銹鋼耐腐蝕性能的主要元素，對不銹鋼的耐腐蝕性能起主要作用。這是因為含鉻的不銹鋼在氧化介質中能產生鈍化現象，即在表面形成一層很薄的膜，在這層膜內富集了鉻。鋼中的鉻含量愈高，鋼的耐腐蝕性能就愈強。此外，鉻對鋼的力學性能和工藝性能都能起到很好的強化作用［6－7］。

表1 開裂不銹鋼絲的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of cracked stainless steel wire（mass） %

1.2 顯微組織

將φ1.61mm模壓前后的不銹鋼絲切割后進行鑲嵌、研磨與拋光，然后用苦味酸溶液（1g苦味酸＋5mL鹽酸＋100mL酒精）進行腐蝕，沖洗吹干后在Leica DMR型光學顯微鏡下觀察顯微組織。由圖2（a）可見，模壓前，不銹鋼絲的基體組織為白色針狀鐵素體，有較多的暗灰色顆粒狀碳化物彌散分布于基體和晶界處。根據0Cr13不銹鋼絲的加工工藝流程可知，模壓前的工序為冷拔，鋼絲會沿拉拔方向發生強烈的塑性變形，組織中的鐵素體也會被拉長。暗灰色顆粒狀碳化物可能為（Cr、Fe）23C6和Mn7C3。模壓后，不銹鋼絲的組織仍為鐵素體基體和顆粒狀碳化物，如圖2（b）所示，但碳化物的數量稍多于模壓前的，同時組織更加細化。

圖2 模壓前后不銹鋼絲的OM形貌Fig.2 OM morphology of stainless steel wire before（a）and after（b）die pressing

將腐蝕后的試樣重新清洗、干燥，然后在ZEISS EVO18型場發射掃描電子顯微鏡下觀察其微觀組織，如圖3所示。模壓前后的組織均為針狀鐵素體和白色點狀析出物，在晶界處還存在蝕坑。根據試樣中錳含量低于國標要求推斷白色點狀析出物為（Cr、Fe）23C6，而蝕坑的出現則可能是因為在腐蝕過程中晶界處的碳化物被優先腐蝕掉而成為孔洞。

圖3 模壓前后不銹鋼絲的SEM形貌Fig.3 SEM morphology ofstainless steel wire before（a）and after（b）die pressing

在模壓過程中，針狀鐵素體的分布始終保持與拉拔變形方向一致，模壓后的鐵素體寬度較模壓前的大，但厚度變小。模壓前，碳化物數量較少，但尺寸較大，為0.6～0.8μm；模壓后，碳化物破碎，數量增加，但尺寸相對較小，為0.3～0.5μm。模壓前后蝕坑的數量和尺寸與碳化物的數量和尺寸具有相同的變化趨勢。

1.3 開裂斷口及夾雜物的形貌

由圖4（a）可以看出，開裂斷口較粗糙，局部表面的邊部存在覆蓋區，箭頭A1指向的邊緣處有微量變形，箭頭A2指向的位置則相對平坦。因此可以判斷出，開裂源區位于鋼絲邊部，然后沿著垂直于軸向曲線延伸擴展，并發展成為較大的裂紋，最終在不銹鋼絲內部的某一處發生開裂。開裂斷口區域不存在韌窩等韌性斷口的典型特征。由圖4（b～c）可以看出，開裂源區呈無規則的片狀形貌，并集中存在較多的碳化物和氧化物［8］。

由圖5可見，模壓前，鋼絲邊部的夾雜物主要呈塊狀和長條狀，顏色光亮，尺寸為20～25μm，夾雜物周圍有明顯的加工硬化痕跡。夾雜物中含有氧、鎂、鈣等元素，因此夾雜物為CaO、MgO等。

由圖6可見，模壓后，不銹鋼絲開裂斷口上的夾雜物主要呈扁平的花瓣狀，顏色為灰白色，尺寸為15～18μm，夾雜物周圍的加工硬化痕跡更加明顯，且夾雜物的變形方向與加工硬化方向大致相同。夾雜物中含有氧、鈣、硫、鉀、鈉、氯等元素，可見，除CaO外，還有相當數量的鈣鎂酸鹽和硅酸鹽夾雜物。

圖4 模壓后不銹鋼絲開裂斷口的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of cracked fracture of stainless steel wire after die pressing：（a）at low magnification；（b）at middle magnification and（c）at high magnification

2 開裂原因分析

根據理化分析結果可知，0Cr13鐵素體不銹鋼絲在模壓過程中的開裂與其化學成分、強烈的塑性變形以及夾雜物有關。

0Cr13鐵素體不銹鋼絲的碳含量較高，但鉻、錳含量較低，較高的碳含量導致形成大量碳化物彌散分布在基體和晶界處，碳化物的變形能力與基體相差較大。φ5.50mm盤圓經過四道次拉拔成φ1.61mm的鋼絲后，其變形量為91.4%；然后再進行模壓，累計變形量為95.3%。可見，0Cr13不銹鋼絲在冷拔過程中已發生了較大的塑性變形，雖未發生宏觀開裂，但其已產生了強烈的加工硬化，碳化物在晶界處存在塞積，塞積程度隨著變形量的增加而越發嚴重，組織亦越發不均勻。在模壓過程中，0Cr13不銹鋼絲繼續發生塑性變形，在晶界處產生組織應力，材料發生塑性失穩，并發展為裂紋，最終形成明顯的開裂。

圖5 模壓前不銹鋼絲邊部夾雜物的SEM形貌和EDS譜Fig.5 SEM morphology（a，c）and EDS spectra（b，d）of inclusions at the edge of stainless steel wire before die pressing：（a－b）inclusion 1＃and（c－d）inclusion 2＃

圖6 模壓后不銹鋼絲開裂斷口上夾雜物的SEM形貌和EDS譜Fig.6 SEM morphology（a，c）and EDS spectra（b，d）of inclusions on cracked fracture of stainless steel wire after die pressing：（a－b）inclusion 3＃and（c－d）inclusion 4＃

0Cr13不銹鋼絲斷口處存在一定數量且尺寸較大的非金屬夾雜物，這些非金屬夾雜物會降低不銹鋼的韌性與塑性。由于非金屬夾雜物以機械混合物的形式存在于鋼基體中，其性能又與鋼基體的存在較大差異，因此破壞了鋼基體的均勻連續性，促使變形時鋼絲內的變形和應力分布不均勻，造成應力集中，成為裂紋源［9－11］。在強烈的塑性變形下，0Cr13不銹鋼絲沿著夾雜物與其周圍基體的界面開裂，形成裂紋源。由于夾雜物聚集分布，數量較多且尺寸較大，這會進一步加速裂紋的擴展；又因為夾雜物位于試樣的邊部，此處為應力集中區。因此，材料發生塑性失穩后，裂紋起源于不銹鋼絲邊部，并向內部擴展，最終發生開裂。

這些非金屬夾雜物可能來源于不銹鋼的冶煉過程。鋼液在加熱時會出現一定程度的氧化，而FeO是鋼中氧化鐵皮的主要成分，在之后的脫氧過程中，爐渣很容易與其它化學成分反應，生成CaO、MgO的化合物（鈣鎂酸鹽及硅酸鹽等），并殘留于鋼中，所以在冶煉過程中會不可避免地出現氧化物和硅酸鹽夾雜物［12－14］。

在冷拔階段，0Cr13不銹鋼絲受拉拔力以及模具對其施加的正壓力和相互摩擦力的作用，其應力狀態為兩壓一拉；在模壓階段，0Cr13不銹鋼絲受牽引力和模具對其施加的正壓力的作用，其應力狀態為兩拉一壓。晶界處暗灰色的顆粒狀碳化物以及較難變形的氧化物、鈣鎂酸鹽及硅酸鹽夾雜物會在冷拔過程中沿著拉拔方向發生劇烈的塑性變形，造成組織嚴重不均勻。由于冷拔后沒有進行退火處理，組織的不均勻性沒有得到有效改善，應力集中沒有及時消除。在后續的模壓過程中，鋼絲的應力狀態發生改變，而碳化物和夾雜物又極易發生畸變，故而不銹鋼絲發生塑性失穩。此外，不銹鋼絲邊部大多表現為拉應力，心部表現壓應力，這也加劇了應力集中對基體性能的影響。裂紋起源于夾雜物導致的應力集中區域，并向內部擴展，最終導致不銹鋼絲發生開裂。

3 結 論

（1）0Cr13不銹鋼絲中碳含量較高，鉻、錳含量較低，導致材料中存在較多呈暗灰色顆粒狀的碳化物，其尺寸為0.3～0.8μm；在強烈的塑性變形下，碳化物在晶界處塞積，導致組織不均勻。

（2）0Cr13不銹鋼絲中聚集分布著數量較多的夾雜物，其尺寸為15～25μm，夾雜物主要為氧化物、鈣鎂酸鹽及硅酸鹽等，這些夾雜物可能來源于不銹鋼的冶煉過程。

（3）在模壓前，0Cr13不銹鋼絲已發生強烈的塑性變形，在碳化物和夾雜物與基體的交界處存在應力集中，在模壓應力作用下，材料發生塑性失穩，裂紋起源于夾雜物導致的應力集中區域，并向內部擴展，最終導致不銹鋼絲發生開裂。

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