40Cr冷拔脆断原因分析

摘 要 某冷拉厂于2011年购进一批，规格为20 mm的40Cr圆钢，冷拔加工成17 mm的六角形钢，在此过程中，出现了大量脆断现象，断口形貌呈子弹型，本文从断口形貌，金相组织、受力状况等方面对拉拔断裂的原因进行了分析。

关键词 冷拔；断口；金相组织

中图分类号 TF 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)031-0168-01

冷拔简介：冷拔工艺为：圆钢退火轧头酸洗处理冷拔。冷拔过程的是原材料在拉拔力的作用下，形成径向压缩，轴向拉伸的应力状况，使材料产生塑性变形，受力方向与表面呈一定的角度。其合力沿拉伸方向，为与材料表面呈一定夹角，由表面指向材料中心。

试样的选取：为了分析其原因，现场选取了3截冷拔断裂试样，同时切取了同一炉号，未经冷拔的原材料试样2个，以及另外2个炉号没有出现断裂的，同材质、同规格的产品试样各2个带回分析。

试样的检测：首先利用超声探伤仪对带回的试样进行C型和A型水浸超声检测，原材料均未发现裂纹缺陷，而在冷拔后的六角形棒料的中心部位，均发现间断性的裂纹。 对此材料进行拉伸破坏性试验，其断口形貌均与现场情况完全吻合，断口形形貌如图1、图2所示。

图1 断口侧视图 图2 断口正视图

图1为宏观断口侧视形貌，断口突出的一端呈子弹形，内凹的一端呈圆形陨石坑形，两端完全吻合；图2为宏观断口正视形貌，分3个区：纤维区（A区）；放射区（B区）；瞬断区（C区）。A区为灰黑色，位于断口中央的位置，直径约1.8mm，是断裂起始的裂纹源区。B区为灰白色，在外加拉应力的作用下，中心裂纹呈放射状向外扩展；C区为灰色，为在放射区的厚度为1.8mm的圆环区，组织致密，呈细瓷状，所有断口四周未发现氧化及污染痕迹，这表明裂纹是在冷拔过程中产生。根据断口形貌特征，裂纹的走向是由心部向外延伸至表面。

断口电镜分析：

图3 （A区） 纤维区

对断口的3个区域，分别进行扫描电镜观察，从中可以看出，在A区（图3），

有较多的显微空洞及夹杂物，唇状裂纹是由显微空洞在外力而作用下，逐渐扩展最后连接造成形成，说明此部位为材料断裂的起源；B区（图4）裂纹扩展区的微观形貌特征为较浅韧窝+少量解理+撕裂棱，具有河流花特征，裂纹扩展有方向性表明材料韧性不高，C区（图5）为瞬断区，形貌为等轴韧窝+撕裂棱，为拉伸脆性断裂。

图4 （B区） 放射区

金相分析：1）对试样进行纵向解剖，发现试样中心部位，沿试样长度范围内，均匀排列着，方向也基本一致，长度约为1.2mm的横向裂纹，并且在裂纹之间有细的微裂纹，裂纹宽度方向与所受拉应力方向一致，对此试样侵蚀后发现，试样存在严重的中心偏析带（图6），所有裂纹均分布在偏析带上，长度略大于与偏析带的宽度。

图5 （C区）瞬断区

2）对试样侵蚀后进行金相分析，从（图6）中可以看出：①裂纹的均起源于中心，偏析区域，此区域珠光体含量明显高于两边的正常区域；②此区域晶粒粗大，为3-3.5级，其他区域为5.5-6.5级；③从晶粒的形变上看，两边的晶粒沿拉伸方向变形量大于心部位置，说明心部组织塑性较差；对此部位放大后可以看出，此区域中的为珠光体为粗片状珠光体（图7），片层间距不等，使塑性变形集中在片间距较大的位置；

4）偏析区域夹杂分布集中，主要是B类细系夹杂物，级别为2.0级，经分析此夹杂物为MnS，此类夹杂物的存在，在拉长时降低了断裂强度。

图6 纵向剖面黑色条带为偏析带 图7 腐蚀后

成分分析：为了了解偏析的严重程度，分别对试样的正常部位及偏析部位进行成分的测量，其结果如表1所示，从中可以看出，此材料中心偏析非常严重，中心偏析区，碳、锰含量明显偏高。而细化晶粒的镍、铬、钼、铝含量极低，从而使得材料心部晶粒粗大，珠光体积聚，强度、韧性下降。

分析结果：根据以上检验结果可以看到，六角棒料在冷拔时出现脆性断裂，是由于原材料存在严重的中心偏析，使得材料中心区域珠光体集中、晶粒粗大、夹杂物聚集，使得材料心部强度及韧性降低，造成材料在正常冷拔过程中，在材料中心的偏析区域，首先产生微裂纹，继而裂纹沿受力方向扩展直至断裂，形成形貌呈子弹形的断口。

参考文献

[1]现代钢铁材料及其工程应用[M].机械工业出版社,200.

[2]材料力学[M].高等教育出版社,2004.

[3]断口形貌学[M].科学出版社,2009.

[4]连续铸钢生产[M].冶金教育出版社,2005.