中碳硅- 錳鋼熱軋板斷裂原因分析

孫中渠 劉俊亮 劉仕龍

(1.寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海 201900；2.汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室(寶鋼)，上海 201900；3.上海交通大學材料科學與工程學院相變與結構研究所, 上海 200240)

淬火- 配分工藝的提出，使汽車用中碳鋼成為研究的熱點，使之成為第三代汽車用鋼中發展最快、最先投入使用的鋼種[1- 4]。淬火- 配分工藝能使中碳鋼獲得優異的力學性能，其主要原因是鋼中的殘留奧氏體能在變形過程中產生TRIP效應(transformation- induced plasticity)，從而大幅度提高斷后伸長率，獲得優良的綜合力學性能[1,5- 6]。該工藝的核心是抑制碳化物析出，使碳原子進入殘留奧氏體提高其穩定性，硅是起關鍵作用的元素[7- 8]。中碳鋼若含硅量較高(一般高于1.5%，質量分數，下同)，將會產生諸多問題[1- 3,7]，包括回火脆性等。

回火脆性的研究可追溯到第一次世界大戰期間。當時有大量高強度鋼盔、槍炮斷裂，德國克虜伯廠生產的炮筒回火脆性問題比較突出，被冠以“克虜伯病”，冶金工作者開始系統地研究回火脆性問題[9- 10]，至20世紀70年代方基本達到共識[10- 12]，即鋼中的Sn、Sb、P、S、As等雜質元素在原奧氏體晶界偏聚是產生回火脆性的主要原因；也發現Mn、Cr、Ni等合金元素會不同程度地加劇雜質元素的偏聚，促進回火脆性的發生；C、Mo對回火脆性的影響比較復雜，少量的Mo能抑制回火脆性，而當wMo>0.5%時則會加劇回火脆性。20世紀，采用原子探針等技術也證實了合金元素和雜質元素在晶界的偏聚[13]。此外，碳化物析出也會產生回火脆性，一般認為由析出強化導致的韌性降低，通常出現在較低溫度(350 ℃左右)，即第一類回火脆性；相應地將有害元素偏聚導致的回火脆性稱為第二類回火脆性(550 ℃左右)[14]。硅能抑制碳化物的析出，提高析出溫度，使第一類回火脆性與第二類回火脆性的溫度區重合，加劇回火脆性的程度和危害。

只有少數中碳鋼含1%～3%Si，與回火脆性相關的報道也較少。其原因可能是0.7%左右的硅已具有顯著的固溶強化效果，更高的硅含量對力學性能的提高并不顯著(淬火- 配分工藝應用之前)，反而增大其回火脆性傾向。廣泛應用的中碳鋼(如30CrMnSiA等)的含硅量一般為0.7%～1.0%左右，而中碳硅- 錳鋼通常含約2.0%Si，其回火脆性問題是尚未攻克的難點。隨著第三代汽車用鋼的發展，高硅含量設計成為主流，含1%～3%Si的鋼的回火脆性已成為共性問題。因此，本文從回火脆性的角度揭示了熱軋中碳硅- 錳鋼板斷裂的原因，可為第三代汽車用鋼的研究和生產提供參考。

1 試驗材料及方法

本文研究的鋼板為寶鋼的熱軋中碳硅- 錳鋼板，厚度2.5 mm，其化學成分如表1所示。軋制工藝為：1 100 ℃始軋，熱軋至2.5 mm在線空冷至450 ℃卷取。熱軋卷冷至室溫后，再進行～550 ℃回火，回火熱軋卷開卷時發現鋼板斷裂。為了分析熱軋鋼板斷裂的原因，分別在鋼板斷口附近(編號1)和遠離斷口處(編號2)取樣。

沿熱軋鋼板的軋向切取拉伸試樣和夏比沖擊試樣，拉伸試樣平行段寬5 mm，標距25 mm，拉伸加載速率為0.01 min-1；夏比沖擊試樣尺寸為2.5 mm×10 mm×55 mm，V型缺口，缺口平行于鋼板法向。采用JEM7600掃描電鏡分析斷裂鋼板、拉伸和沖擊試樣的斷口。垂直斷口取樣，觀察斷口的橫截面，研究斷裂鋼板和沖擊試樣中的次生裂紋(微裂紋)。

表1 斷裂鋼板的化學成分 (質量分數)Table 1 Chemical composition of the broken plate (mass fraction) %

2 試驗結果與討論

2.1 斷裂原因分析

圖1(a)頂部和底部的邊界為斷裂鋼板的軋面，斷裂鋼板的裂紋沿水平方向擴展，宏觀上斷口較為平整，斷口邊緣剪切唇的面積非常小，幾乎可以忽略，說明斷裂部位塑性變形很小，可初步判斷為脆性斷裂。圖1(b～d)表明：斷口主要為“冰糖狀”，具有沿原奧氏體晶界斷裂的特征；此外還有少量的河流花樣狀解離裂紋。如圖1(d)所示，“冰糖狀”斷口有一些白色小顆粒(<0.5 μm，見箭頭處)，為碳化物。

圖2為鋼板斷口附近的顯微組織。斷口附近的組織中有大量次生裂紋(顯微裂紋)，這些次生裂

圖1 鋼板斷口的宏觀(a)和微觀(b,c,d)形貌Fig.1 Macrographs(a)and micrographs(b,c,d) of fracture surface of the steel plate

圖2 鋼板斷口附近的顯微組織Fig.2 Microstructures near the fracture of the steel plate

紋與顯微組織有特殊的關聯性。圖2中實心箭頭指示的顯微裂紋都位于原奧氏體晶界(根據板條束的方向可以判斷原奧氏體晶界)，稱為I型顯微裂紋；而空心箭頭指示的顯微裂紋都是穿過板條的，稱為 Ⅱ 型顯微裂紋。原奧氏體晶界上的顯微裂紋與形成“冰糖狀”斷口的宏觀裂紋屬同一類型(Ⅰ 型)，而穿過板條的顯微裂紋與形成“河流花樣”的解離裂紋是同類型的(Ⅱ 型)。對比這兩類顯微裂紋可以發現(圖2)，Ⅰ 型顯微裂紋數量更多，而II型顯微裂紋多與 Ⅰ 型顯微裂紋連在一起。在兩類顯微裂紋的交界處，Ⅱ 型顯微裂紋較寬，而板條內部的II型顯微裂紋較窄，說明 Ⅱ 型顯微裂紋起源于 Ⅰ 型顯微裂紋，向原奧氏體內擴展，最后發生解理斷裂。簡言之，Ⅱ 型裂紋將 Ⅰ 型裂紋連通，導致鋼板斷裂。因此，起源于原奧氏體晶界的 Ⅰ 型顯微裂紋是造成熱軋鋼板脆性斷裂的主要原因。

2.2 斷裂鋼板的力學性能及其斷口特征

對比試樣1和2的工程應力- 工程應變曲線(圖3)發現，兩者的強度和斷后伸長率差別不大，且斷后伸長率都大于15%，即塑性較好。試樣1和2的夏比沖擊吸收能量分別為1.3～1.8 J和0.9～1.8 J，無明顯差別且數值較低，說明該熱軋鋼板的沖擊韌性較差。

圖3 鋼板斷口附近(試樣1)和遠離斷口處(試樣2)的工程應力- 工程應變曲線Fig.3 Engineering strain- engineering stress curves near (sample 1) and away from (sample 2) the fracture of the steel plate

對比拉伸試樣的斷口形貌(圖4)可以發現，試樣1和2的斷口形貌并無區別，都是由韌窩和少量解離斷面組成，解離斷裂面如圖4中箭頭所示。圖3表明，斷裂鋼板的兩個部位都具有較高的塑性(斷后伸長率～18%)，但斷口形貌表明，拉伸斷裂部分為脆性斷裂。從圖5可以發現，鋼板兩個部位沖擊試樣的斷口無明顯差異，但有明顯的”冰糖狀”形貌(圖5中實心箭頭處)和少量的“河流花樣狀”形貌(圖5中空心箭頭處)。說明熱軋鋼板的斷裂并不是性能波動引起的。但值得注意的是，熱軋鋼板的沖擊韌性很低，沖擊試樣為脆性斷裂。

鋼板的斷口形貌與試樣1和2的沖擊斷口形貌一致，說明熱軋鋼板的斷裂是脆性斷裂。觀測到的斷口形貌是主裂紋擴展的痕跡，并未發現主裂紋的起始部位。由此可以推斷，鋼板斷裂是由某個較大的宏觀缺陷誘發了主裂紋萌生，但材料的韌性較差，不能有效抑制裂紋的擴展，導致熱軋鋼板發生了脆性斷裂。

圖4 拉伸試樣1(a,b)和2(c,d)的斷口形貌Fig.4 Patterns of fracture of the tensile samples 1 (a,b) and 2 (c,d)

圖5 沖擊試樣1(a,b)和2(c,d)的斷口形貌Fig.5 Patterns of fracture of the Charpy impact samples 1(a,b) and 2(c,d)

2.3 顯微組織

如圖6所示，斷裂鋼板的顯微組織由板條狀回火馬氏體和回火貝氏體(回火板條組織)及大量析出相組成。圖6(a)表明：析出相的分布不均勻，其聚集處為亮白色，較少處為暗灰色，主要聚集在晶界上(圖6(c))。由此可以推斷，該顯微組織中的碳化物析出主要集中在板條界面和原奧氏體晶界(見圖7)。當板條與觀察面(SEM試樣表面)的夾角接近90°時，在觀察面上發現析出相密度較高(析出相不易溶解于侵蝕液而保留在試樣表面)，呈亮白色；當板條與觀察面的夾角接近0°時，這些部位的析出相較少，在觀察面上的密度低，呈暗灰色。

圖6 斷裂鋼板的顯微組織(a)、圖6(a)中方框部位的放大圖(b)和圖6(b)中方框部位的放大圖(c)Fig.6 Microstructures (a) of the broken steel plate and higher- magnification views of the areas framed in dotted line in (b) Fig.6(a) and in (c) Fig. 6(b)

圖7 斷裂鋼板的顯微組織示意圖Fig.7 Schematic diagram of microstructure of the broken steel plate

以上現象主要與斷裂鋼板的含硅量較高有關。有文獻指出，硅能抑制鋼中碳化物的粗化，其機制是硅在碳化物中的溶解度較低，碳化物形核后要向周圍基體中排出硅，因此硅的擴散控制了碳化物析出的演變[15- 17]。由于硅在晶界的擴散速率遠高于板條內部，因此，晶界碳化物的粗化速率遠高于板條內部。且晶界碳化物的粗化伴隨著晶內細小碳化物的溶解，最終使析出相聚積在晶界。

2.4 鋼板斷裂原因

前人利用原子探針技術研究了回火脆性試樣中磷的偏聚，發現碳化物與回火馬氏體的界面處磷的偏聚會顯著降低碳化物與基體的結合強度，導致斷裂強度和沖擊韌性降低[18]。由鋼中板條組織(馬氏體和貝氏體板條)的位錯運動模型可知，板條組織內的位錯主要沿與板條平行的兩個<111>方向運動，并在晶界產生長程塞積(如圖7所示)[19]。而熱軋鋼板在形成大量析出相的同時，馬氏體和貝氏體板條內的位錯也發生了回復。回火馬氏體和回火貝氏體板條內的位錯密度較低，致使位錯在板條內部運動的阻力較小(位錯林與可動位錯的交割較少)，強化了位錯在板條端部的塞積及其產生的應力集中。由于原奧氏體晶界的斷裂強度大幅度降低，應力集中明顯加劇，導致原奧氏體晶界成為裂紋形成和擴展的主要通道，使鋼板斷口和沖擊試樣的斷口呈”冰糖狀”。

總之，析出相集中在晶界是中碳硅- 錳鋼回火組織的特征，導致原奧氏體晶界斷裂強度降低，應力易于集中，成為裂紋萌生和擴展的主要通道。低韌性的熱軋鋼板出現宏觀裂紋后，不能有效抑制裂紋擴展，導致熱軋鋼板斷裂。

3 結論

(1)中碳硅- 錳熱軋板的斷裂為脆性斷裂，斷口主要呈“冰糖狀”，還有少量的“河流花樣”斷面，為穿晶斷裂。

(2)發生脆性斷裂的原因主要是原奧氏體晶界弱化，原奧氏體晶界是微裂紋萌生和擴展的主要通道，并誘導少量的穿晶裂紋，導致鋼板斷裂。

(3)原奧氏體晶界弱化導致拉伸試樣的斷口出現少量穿晶斷裂，而夏比沖擊試樣的斷口形貌與鋼板相似，以“冰糖狀”形貌為主，還有少量“河流花樣狀”形貌。

(4)斷裂鋼板含有1.7%Si，對回火后的顯微組織有顯著影響，使碳化物集中在板條界面和原奧氏體晶界析出，在回火馬氏體和回火貝氏體板條內的析出較少，位錯密度很低。碳化物和磷的偏聚降低了原奧氏體晶界的斷裂強度，并提高了原奧氏體晶界的應力集中程度，弱化了原奧氏體晶界，使原奧氏體晶界成為裂紋萌生和擴展的通道。

致謝：

本文由寶山鋼鐵股份有限公司- 上海交通大學“未來鋼鐵聯合研究中心”資助。感謝“博士后創新人才支持計劃BX20180186”和“上海市超級博士后激勵計劃”的支持。