60Si2Mn彈簧鋼具有良好的塑性、韌性，較高的屈服強度、疲勞強度，且使用壽命較長，因此60Si2Mn彈簧鋼常用于制作螺旋彈簧、異形彈簧、渦卷彈簧、漸變載荷高應力工作狀態要求的重要卷制彈簧，以及飛行器起落架等重要交通工具用的減震系統彈簧。彈簧鋼的品質至關重要，需要嚴格把關生產、加工、運輸、存放等環節，以確保產品的化學成分控制精準，內部性能穩定，尺寸及橢圓度等表面質量良好。某批60Si2Mn彈簧鋼盤條在卷簧校直過程中發生脆性斷裂。該彈簧的生產工藝流程為：連續澆鑄生產圓坯→熱軋盤條→集卷打包→運輸至彈簧生產車間→校直→卷簧→熱處理。筆者采用一系列理化檢驗方法對該盤條斷裂的原因進行分析，以避免該類問題再次發生[1-2]。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

沿垂直于盤條軋制方向截取橫向試樣，對盤條斷口進行宏觀觀察，結果如圖1所示。由圖1可知：斷口為斜茬斷口，呈脆性斷裂特征，斷裂起源于盤條外表面，裂紋沿垂直于軋制方向擴展，初斷區域斷面齊平，擴展區在三向應力的作用下撕裂成斜茬狀；斷裂源處可見沿軋制方向的有亮白金屬光澤的擦蹭痕跡，該處形貌明顯與其他位置不同。 

圖  1  盤條斷口宏觀形貌

1.2   化學成分分析

利用直讀光譜儀對斷裂盤條進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：斷裂盤條的化學成分符合GB/T 1222—2016 《彈簧鋼》的要求。 

1.3   掃描電鏡（SEM）分析

在盤條斷口處取樣，將試樣用乙醇超聲清洗干凈，再置于SEM下觀察，結果如圖2所示。由圖2可知：斷裂源附近斷面較平，初斷位置存在明顯的小平臺，小平臺處有磨損痕跡，附近可見細小的韌窩；擴展區呈典型的解理形貌特征；擦蹭位置有沿著軋制方向排列，開口方向垂直于軋制方向的成排裂紋。 

圖  2  盤條斷口處SEM形貌

1.4   金相檢驗

在斷裂盤條斷裂源位置的橫截面上截取試樣，對試樣進行金相檢驗，結果如圖3所示。由圖3可知：缺陷位置可見黃亮色組織，即隱晶馬氏體，馬氏體和基體組織過渡區組織嚴重變形，其他位置為正常的珠光體+鐵素體，符合企業的內控標準要求。 

圖  3  斷裂盤條斷裂源位置顯微組織形貌

為進一步探究是否可通過熱處理改善缺陷產品中的異常組織，對試樣進行退火處理，退火工藝為：將試樣加熱至870 ℃，保溫30 min后隨爐冷卻。對熱處理后的試樣進行金相檢驗，結果如圖4所示。由圖4可知：原隱針馬氏體位置的組織已轉變為正常的珠光體+鐵素體。 

圖  4  退火后斷裂源位置顯微組織形貌

沿斷裂盤條直徑方向縱向切割取樣，對試樣進行磨拋處理，按照GB/T 10561—2023 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》，對試樣進行非金屬夾雜物分析，結果如表2所示。由表2可知：試樣中非金屬夾雜物級別符合標準GB/T 1222—2016的要求。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：斷裂盤條的化學成分、非金屬夾雜物等級均滿足標準要求，材料組織為珠光體+鐵素體。盤條斷裂源位置可見擦蹭痕跡的小平臺，平臺附近斷口呈細碎韌窩形貌，擴展區呈典型解理斷口特征。裂紋源一側表面有嚴重的擦蹭痕跡，并伴隨有垂直于盤條軋制方向的成排橫向裂紋。斷裂源位置的組織為黃亮色隱針馬氏體，靠近隱針馬氏體的組織發生嚴重變形，其他位置為正常組織形態[3-4]。 

當金屬表面瞬間升溫至奧氏體化溫度后急速降溫，材料在該過程中相當于進行了淬火，極易形成淬火后硬相組織。當這一過程發生時間很短，瞬間升溫形成的奧氏體晶粒內溶質元素濃度分布不均勻時，可將淬火區域分為多個溶質濃度不同的微觀區域，每個不同溶質濃度的小區域都有其各自的馬氏體轉變起始溫度點，淬火發生的瞬間沒有足夠時間使材料經歷典型的奧氏體均勻化、高溫回復、晶粒長大、再結晶這一過程，奧氏體小區域切變過程中得到晶粒極其細小的馬氏體，此時馬氏體內部的典型針過小，因此不能明顯被觀察到，成為了黃亮色的隱針馬氏體。由于馬氏體的硬度高、塑性差，在校直過程中受力時，局部產生應力集中，萌生了微裂紋，裂紋瞬間擴展，最終導致材料斷裂。 

馬氏體區域的硬度高、塑性差，與基體的變形不同步，在馬氏體和基體間容易形成擠壓扭曲變形的過渡層，過渡層組織變形屬于塑性變形。該位置在變形過程中產生大量的位錯，位錯繼續運動積塞，使垂直于變形方向產生纖維化組織，該過程屬于硬化過程，該處硬度高于基體，并存在極大的內應力，在校直過程中加快了材料的脆斷過程。 

通過對生產工序和生產后的包裝、吊裝、運輸等環節的跟蹤，發現該批產品在打包前沒有明顯表面問題，在下一工序進行前，拆包后的試樣表面存在局部擦傷現象，判斷該批試樣的表面缺陷是在打包過程中產生的。在盤條打包過程中[5-6]，當打包線與基體無防護措施時，盤條容易發生瞬間碰撞和擦蹭，導致接觸位置的基體發生明顯變形，嚴重時會產生較高溫度，形成淬火組織，此外，盤條內部線圈與線圈之間的擠壓摩擦也會導致材料產生表面局部缺陷。 

將斷裂盤條進行退火處理，原隱針馬氏體位置的組織已轉變為正常的珠光體+鐵素體，說明退火處理可以改善由硬相組織產生的應力集中問題[7-8]。 

3.   結論及建議

斷裂盤條在打包過程中產生了表面缺陷，在卷簧校直過程中，盤條受到校直力的作用，缺陷位置處產生應力集中，并萌生裂紋，裂紋不斷擴展，最終導致盤條斷裂。 

建議做好打包線點檢工作，在打包線和盤條之間進行隔離防護，避免打包過程中打包機滑道與盤條之間出現擦蹭，或盤條間出現擠壓摩擦。利用叉車調運時，防止發生嚴重擦蹭，入庫時減少搬運次數?？刂票P條成品的橢圓度，調整好設備孔型，避免在后期校直過程中，盤條與設備孔徑發生局部異常摩擦。對存在局部淬火硬脆組織的產品進行熱處理，可緩解校直過程中的斷線情況。 

文章來源——材料與測試網