分享：60Si2Mn弹簧钢盘条卷簧过程中断裂原因

60Si2Mn弹簧钢具有良好的塑性、韧性，较高的屈服强度、疲劳强度，且使用寿命较长，因此60Si2Mn弹簧钢常用于制作螺旋弹簧、异形弹簧、涡卷弹簧、渐变载荷高应力工作状态要求的重要卷制弹簧，以及飞行器起落架等重要交通工具用的减震系统弹簧。弹簧钢的品质至关重要，需要严格把关生产、加工、运输、存放等环节，以确保产品的化学成分控制精准，内部性能稳定，尺寸及椭圆度等表面质量良好。某批60Si2Mn弹簧钢盘条在卷簧校直过程中发生脆性断裂。该弹簧的生产工艺流程为：连续浇铸生产圆坯→热轧盘条→集卷打包→运输至弹簧生产车间→校直→卷簧→热处理。笔者采用一系列理化检验方法对该盘条断裂的原因进行分析，以避免该类问题再次发生[1-2]。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

沿垂直于盘条轧制方向截取横向试样，对盘条断口进行宏观观察，结果如图1所示。由图1可知：断口为斜茬断口，呈脆性断裂特征，断裂起源于盘条外表面，裂纹沿垂直于轧制方向扩展，初断区域断面齐平，扩展区在三向应力的作用下撕裂成斜茬状；断裂源处可见沿轧制方向的有亮白金属光泽的擦蹭痕迹，该处形貌明显与其他位置不同。 

图  1  盘条断口宏观形貌

1.2   化学成分分析

利用直读光谱仪对断裂盘条进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂盘条的化学成分符合GB/T 1222—2016 《弹簧钢》的要求。 

1.3   扫描电镜（SEM）分析

在盘条断口处取样，将试样用乙醇超声清洗干净，再置于SEM下观察，结果如图2所示。由图2可知：断裂源附近断面较平，初断位置存在明显的小平台，小平台处有磨损痕迹，附近可见细小的韧窝；扩展区呈典型的解理形貌特征；擦蹭位置有沿着轧制方向排列，开口方向垂直于轧制方向的成排裂纹。 

图  2  盘条断口处SEM形貌

1.4   金相检验

在断裂盘条断裂源位置的横截面上截取试样，对试样进行金相检验，结果如图3所示。由图3可知：缺陷位置可见黄亮色组织，即隐晶马氏体，马氏体和基体组织过渡区组织严重变形，其他位置为正常的珠光体+铁素体，符合企业的内控标准要求。 

图  3  断裂盘条断裂源位置显微组织形貌

为进一步探究是否可通过热处理改善缺陷产品中的异常组织，对试样进行退火处理，退火工艺为：将试样加热至870 ℃，保温30 min后随炉冷却。对热处理后的试样进行金相检验，结果如图4所示。由图4可知：原隐针马氏体位置的组织已转变为正常的珠光体+铁素体。 

图  4  退火后断裂源位置显微组织形貌

沿断裂盘条直径方向纵向切割取样，对试样进行磨抛处理，按照GB/T 10561—2023 《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》，对试样进行非金属夹杂物分析，结果如表2所示。由表2可知：试样中非金属夹杂物级别符合标准GB/T 1222—2016的要求。 

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：断裂盘条的化学成分、非金属夹杂物等级均满足标准要求，材料组织为珠光体+铁素体。盘条断裂源位置可见擦蹭痕迹的小平台，平台附近断口呈细碎韧窝形貌，扩展区呈典型解理断口特征。裂纹源一侧表面有严重的擦蹭痕迹，并伴随有垂直于盘条轧制方向的成排横向裂纹。断裂源位置的组织为黄亮色隐针马氏体，靠近隐针马氏体的组织发生严重变形，其他位置为正常组织形态[3-4]。 

当金属表面瞬间升温至奥氏体化温度后急速降温，材料在该过程中相当于进行了淬火，极易形成淬火后硬相组织。当这一过程发生时间很短，瞬间升温形成的奥氏体晶粒内溶质元素浓度分布不均匀时，可将淬火区域分为多个溶质浓度不同的微观区域，每个不同溶质浓度的小区域都有其各自的马氏体转变起始温度点，淬火发生的瞬间没有足够时间使材料经历典型的奥氏体均匀化、高温回复、晶粒长大、再结晶这一过程，奥氏体小区域切变过程中得到晶粒极其细小的马氏体，此时马氏体内部的典型针过小，因此不能明显被观察到，成为了黄亮色的隐针马氏体。由于马氏体的硬度高、塑性差，在校直过程中受力时，局部产生应力集中，萌生了微裂纹，裂纹瞬间扩展，最终导致材料断裂。 

马氏体区域的硬度高、塑性差，与基体的变形不同步，在马氏体和基体间容易形成挤压扭曲变形的过渡层，过渡层组织变形属于塑性变形。该位置在变形过程中产生大量的位错，位错继续运动积塞，使垂直于变形方向产生纤维化组织，该过程属于硬化过程，该处硬度高于基体，并存在极大的内应力，在校直过程中加快了材料的脆断过程。 

通过对生产工序和生产后的包装、吊装、运输等环节的跟踪，发现该批产品在打包前没有明显表面问题，在下一工序进行前，拆包后的试样表面存在局部擦伤现象，判断该批试样的表面缺陷是在打包过程中产生的。在盘条打包过程中[5-6]，当打包线与基体无防护措施时，盘条容易发生瞬间碰撞和擦蹭，导致接触位置的基体发生明显变形，严重时会产生较高温度，形成淬火组织，此外，盘条内部线圈与线圈之间的挤压摩擦也会导致材料产生表面局部缺陷。 

将断裂盘条进行退火处理，原隐针马氏体位置的组织已转变为正常的珠光体+铁素体，说明退火处理可以改善由硬相组织产生的应力集中问题[7-8]。 

3.   结论及建议

断裂盘条在打包过程中产生了表面缺陷，在卷簧校直过程中，盘条受到校直力的作用，缺陷位置处产生应力集中，并萌生裂纹，裂纹不断扩展，最终导致盘条断裂。 

建议做好打包线点检工作，在打包线和盘条之间进行隔离防护，避免打包过程中打包机滑道与盘条之间出现擦蹭，或盘条间出现挤压摩擦。利用叉车调运时，防止发生严重擦蹭，入库时减少搬运次数。控制盘条成品的椭圆度，调整好设备孔型，避免在后期校直过程中，盘条与设备孔径发生局部异常摩擦。对存在局部淬火硬脆组织的产品进行热处理，可缓解校直过程中的断线情况。 

文章来源——材料与测试网