碳素結(jié)構(gòu)鋼中磷偏析的形成開裂淺析
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碳素結(jié)構(gòu)鋼中磷偏析的形成開裂淺析
目前,國內(nèi)鋼廠提供的碳素結(jié)構(gòu)鋼盤條、棒料普通規(guī)格均是φ5.5-φ45,較為成熟的范圍是φ6.5-φ30。對小規(guī)格的盤條、棒料原材料中磷偏析造成的質(zhì)量事故較多。下面談?wù)劻灼龅挠绊?，以及形成開裂的分析，供同行參考。
磷加入鐵中可相應(yīng)地使鐵碳相圖中的奧氏體相區(qū)封閉，因此，必然擴(kuò)大固相線與液相線之間的距離。當(dāng)含磷的鋼從液態(tài)冷卻至固態(tài) 時(shí)，需要通過較寬的溫度區(qū)域。磷在鋼中的擴(kuò)散速度較慢，此時(shí)含磷濃度高的鐵液（溶點(diǎn)較低）充填在首先凝固的枝晶的夾縫中，從而形成磷的偏析。
在冷鐓或冷擠壓工藝時(shí)，常常看見開裂的產(chǎn)品，對開裂的產(chǎn)品進(jìn)行金相檢測分析可知，鐵素體與珠光體呈帶狀分布，基體中可明顯看到一條條帶狀白色鐵素體，在這條帶狀鐵素體基體上有斷續(xù)帶狀淺灰色硫化物夾雜，這種由于硫磷化物偏析而造成的帶狀組織稱為“鬼線”。這是由于磷偏析嚴(yán)重的區(qū)域其磷富集帶呈現(xiàn)白亮帶。由于白亮帶磷含量偏高，而使富集磷的白亮帶中碳的含量減少或碳含量極少，這樣富集磷的帶在連鑄鋼坯過程中，連鑄坯的柱狀晶均向中央發(fā)展。鋼坯在凝固時(shí)先從鋼液中析出奧氏體的枝晶，在這些枝晶中所含的磷、硫減少，但在最后凝固的鋼液中，富含磷、硫雜質(zhì)元素，它凝固于枝晶軸間，由于其中含磷、硫元素較高，此時(shí)硫便形成硫化物，磷則固溶于基體中，它不易擴(kuò)散，并且有排碳作用，碳熔不進(jìn)去，所以磷固溶體周圍（鐵素體白亮帶的兩側(cè)邊）含碳量較高。碳元素在鐵素體帶的兩側(cè)，即在富集磷區(qū)域的兩側(cè)，分別形成一條與鐵素體白亮帶平行的、較窄的、斷續(xù)的珠光體帶，并把毗鄰的正常組織隔開。鋼坯在受熱壓力時(shí)，軸間就會順軋制加工方向延伸，正由于鐵素體帶含有較高的磷，即嚴(yán)重的磷偏析導(dǎo)致形成嚴(yán)重的寬亮鐵素體帶狀組織，明顯的鐵素體寬亮帶內(nèi)又存在著淺灰色條狀硫化物，這種分布有長條狀硫化物的富磷鐵素體帶，就是我們通稱作“鬼線”組織。
鋼在熱軋制時(shí)，只要鋼坯存在磷偏析，要想獲得均勻的顯微組織是根本不可能的，更何況由于嚴(yán)重的磷偏析，已經(jīng)形成“鬼線”組織，勢必都會降低材料的力學(xué)性能。
磷在碳結(jié)鋼中的偏析是常見的，只是程度不同，當(dāng)磷嚴(yán)重偏析時(shí)（出現(xiàn)“鬼線”組織），會給鋼帶來極為不利的影響。顯然，磷的嚴(yán)重偏析，是材料在冷鐓過程中開裂的禍?zhǔn)?，因?yàn)殇撝写旨?xì)不同的晶粒都有不同的磷含量，所以也就使材料有不同的強(qiáng)度和硬度；另一方面，也使材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，它會促使材料容易發(fā)生內(nèi)裂。存在“鬼線”組織的材料中，正是由于硬度、強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率的減少，尤其是沖擊韌性的降低，會導(dǎo)致材料的冷脆性，所以磷含量與鋼的組織性能有著十分密切的關(guān)系。
金相檢測在視場中心“鬼線”組織內(nèi)，存在大量淺灰色細(xì)長條硫化物。結(jié)構(gòu)鋼中的非金屬夾雜物主要以氧化物和硫化物的形式存在，依據(jù)GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》，此時(shí)的B類夾雜物硫化物級別達(dá)到2.5級及以上。眾所周知，非金屬夾雜物就是潛在的裂紋源，它的存在會嚴(yán)重破壞鋼材顯微組織的連續(xù)性和致密性，大大降低鋼的晶間強(qiáng)度。由此推斷，鋼材內(nèi)部的組織“鬼線”中硫化物的存在，就是最容易開裂的位置。所以，大量緊固件生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)冷鐓開裂、熱處理淬火裂紋就是大量淺灰色細(xì)長硫化物造成，這種不良織織的出現(xiàn)破壞了金屬性能的連續(xù)性，同時(shí)增大了熱處理的風(fēng)險(xiǎn)?！肮砭€”無法通過正火等方式去除，應(yīng)從冶煉上或原材料進(jìn)廠前對雜質(zhì)元素進(jìn)行嚴(yán)格控制。
而非金屬夾雜物又根據(jù)其成分組成和變形能力分為氧化鋁（A類）硅酸鹽（C類）和球狀氧化物（D類）。它們的存在隔斷了金屬的連續(xù)性，剝落后就成凹坑或裂紋，在冷鐓成形時(shí)極易形成裂紋源，在熱處理時(shí)造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生淬火開裂。因此，對非金屬夾雜物須嚴(yán)格控制，現(xiàn)行的鋼材GB/T700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》和GB/T699-2016《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中對非金屬夾雜物并未做明確要求。對重要的零部件一般對A、B、C類粗系、細(xì)系不大于1.5級，D、Ds類粗系、細(xì)系不大于2級為佳。
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