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碳素结构钢中磷偏析的形成开裂浅析 类别: 技术问题

返回列表 来源: 发布日期: 2021.08.30
  当前,国内钢厂提供的碳素结构钢盘条,普通规格为φ5.5-φ45,比较成熟的范围为φ6.5-φ30。由于磷离析引起的小规格盘条、棒料原料磷离析等质量事故较多。下面介绍了磷离析的影响,以及对形成裂纹的分析,以供同行参考。在铁碳相图中添加磷会相应地封闭奥氏体相区,因而必然会扩大固相线与液相线的距离。在从液体中冷却到固态时,含磷的钢需要经过较大的温度范围。
  磷在钢中的扩散速度较慢,含磷浓度高的铁液(溶点较低)被先凝固的枝晶填充,从而造成磷离析。经常出现的是冷镦锻或冷挤压过程中出现的裂纹产品,通过金相检验分析可知,铁素体和珠光体呈条状分布,基体中可见一条条白色带状铁素体,在这条带状铁素体的基体上有断续带状的浅灰色硫化物夹杂,这种硫化物因硫化物偏析而形成的带状组织称为“鬼线”。

其原因是磷偏析严重的区域其磷富集区呈现出白亮带。在连铸坯连铸过程中,由于白亮带磷含量较高,导致富集磷的柱状晶集中分布,从而降低了富集磷的含磷量。在钢坯凝固时,先从钢液中析出奥氏体的枝晶,在这些枝晶中所含的磷、硫降低,但在最后凝固的钢液中却含有磷、硫元素,它在枝晶轴间凝固,因为其中含磷、硫元素较高,此时硫化物形成硫化物,磷固溶于基体中,由于含磷、硫元素含量较高,因此在此形成硫化物,磷固溶于基体中,因此,由于含磷、硫元素含量较高,所以磷固溶体中的碳含量较高。碳素体条带的两侧,即富集磷区域的两侧分别形成一条与铁素体白亮带平行的狭长的断续珠光体带,并分隔出相邻的正常组织。坯体在受热压力下,轴间将向加工方向延伸,正因为铁素体条带中含有较高的磷,即磷离析会导致宽亮铁素体带组织形成严重的宽亮铁素体带状组织,可见铁素体宽亮带内还有浅灰色条状硫化物,这种分布有长条状硫化物的富磷铁素体带,我们通称为“鬼线”(见图1-2)。

螺栓

钢坯在热轧过程中,只要存在磷偏析,就根本不可能得到均匀的微观组织,更重要的是由于磷偏析已经形成了“鬼线”组织,因此必然会降低材料的力学性能。碳结钢中磷的偏析是常见的,只是程度不同而已,磷严重偏析(出现“鬼线”组织),会对钢造成极其不利的影响。很明显,磷的严重偏析,是材料在冷镦过程中开裂的祸首,因为钢中粗细不同的晶粒中磷的含量不同,因此,材料就有不同的强度和硬度;另一方面,又使材料产生内应力,这会促使材料容易发生内裂。在“鬼线”组织存在的材料中,正是由于硬度、强度、断后伸长率和截面收缩率的降低,尤其是冲击韧性的降低,使得材料的含磷量与钢的组织性能有很大的关系。
  在视野中央的“鬼线”组织中,金相检测到大量浅灰色的细长条硫化物。结构钢中的非金属夹杂物主要以氧化物和硫化物的形式存在,根据 GB/T10561-2005 《钢中非金属夹杂物含量标准分级图显微检验法》,此时的 B类夹杂物硫化物达到2.5级及以上。非金属夹杂是潜在的裂纹源,它的存在会严重破坏钢显微组织的连续性和致密性,使晶间强度大大降低。
  据此推测,钢的内部组织“鬼线”中的硫化物的存在,就是最易开裂的部位。因此,大量紧固件生产现场出现冷镦开裂、热处理淬火裂纹是由大量浅灰色细长硫化物引起的,这种不良织织的出现破坏了金属性能的连续性,同时增加了热处理的风险。"鬼线"不能用正火等方法清除,应在冶炼或原料进入工厂前严格控制杂质元素。根据成分组成和变形能力,将非金属夹杂物分为氧化铝(A类)硅酸盐(C类)和球状氧化物(D类)。其出现可隔断金属的连续性,剥落后成为凹坑或裂纹,在冷镦成形时极易形成裂纹,在热处理时引起应力集中,产生淬火开裂。所以,对非金属夹杂物要严格控制,现行的《碳素结构钢》 GB/T700-2006和 GB/T699-2016 《优质碳素结构钢》中对非金属夹杂的要求。对于重要零件,一般对 A、 B、 C类粗系、细系列不大于1.5级, D、 Ds类粗系和2级不大于2级为好。

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