30CrMnSiA钢筒形件铬偏析缺陷研究

王海云 姚春臣 李保荣 聂仙娥 曹俊敏、2 阮滢滢

（1 江南工业有限公司，湖南 湘潭，411207；2 湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭，411105）

30CrMnSiA钢筒形件铬偏析缺陷研究

王海云1 姚春臣1 李保荣1 聂仙娥1 曹俊敏1、2 阮滢滢1

（1 江南工业有限公司，湖南 湘潭，411207；2 湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭，411105）

本文对30CrMnSiA钢薄壁筒形件上出现的疑似裂纹、划痕、发纹的不明缺陷进行了外观形貌、磁粉探伤、金相、电镜能谱等检测分析，并进行了切向力学性能对比测试。分析检测和对比测试的结果表明：上述产品上出现的缺陷并不是真正的裂纹、划痕、发纹，而是由原材料中的Cr成分偏析所导致的较光亮的线条状、细网带状缺陷。在偏析区内，合金元素Cr的含量显著高于正常材料含量，在原材料供应状态，其缺陷很难发现，而在真空淬火及真空回火之后，偏析区比正常材料区光亮，才在机械加工和磁粉探伤检验时发现；这种Cr偏析缺陷不能提高30CrMnSiA钢产品材料的切向强度，而有可能显著降低材料的切向塑性。

30CrMnSiA钢；筒形件；Cr偏析；缺陷；失效分析；真空热处理；切向力学性能

一种30CrMnSiA钢薄壁筒形件由外径不同的零部件组焊而成。焊接检验合格后，经真空淬火和真空回火之后转切削加工。过去生产正常，真空热处理从未出现材料裂纹、偏析问题。后来有一批真空热处理后的筒形焊接件在精车时，车工报告表示产品上有裂纹，进一步检查发现不是裂纹，而是一种罕见的不明缺陷，故对这种罕见的不明缺陷进行了检查分析和试验。

图1 11号壳体本体部位外圆上的缺陷形貌

图2 11号壳体本体部位内壁上的缺陷形貌

图3 缺陷在材料横截面上的形貌（5×）

图4 缺陷处的材料组织（50×）

1 对缺陷的宏观检查分析

首先，对发现有“裂纹”的产品进行了宏观形貌检查分析。发现产品并没有裂开，而是有一些线条状或细网带状的缺陷。初看很像是产品材料裂了，但更像是产品表面被划伤留下的划痕。这些缺陷大体上都是沿着原材料的纵向分布，但只是直径最大的零件上才有，而焊在一起但直径较小的零件上都没有这种缺陷。在存在这种缺陷的产品中，有的产品只是在外圆上有这种缺陷，有的产品是内孔的内壁上存在这种缺陷，还有一些产品是外圆和内壁都可以看见缺陷。图1和图2分别是编号为11号的产品外圆和内壁上的缺陷形貌。

由图1和图2可见，产品外圆和内壁上都存在一束大体上由3条细亮线组成的细网带状缺陷，沿着其原材料轧制的方面呈纵向分布，贯穿直径最大的零件材料长度。对照图1和图2中的缺陷，即把外圆和内壁的缺陷结合起来看，就会发现产品外圆上缺陷与内壁上缺陷的位置吻合得很好，说明这可能是同一条缺陷束。

该缺陷出现的位置和走向并非是产品淬火时应力集中的位置和走向。显然，这不是热处理产生的裂纹。

该产品热处理和精车，一般都不出现划痕。由于产品外圆上缺陷与内壁上缺陷的位置吻合得很好，划痕不可能吻合得这样好，所以也不可能是划痕。

图5 缺陷处（偏析带）的能谱分析

图6 正常组织区的的能谱分析

2 磁粉探伤测试

为鉴别这种缺陷，对11号壳体进行了磁粉探伤检测。磁粉探伤证实缺陷既不是裂纹，也不是划痕。

起初，磁粉探伤认为是发纹，但对其缺陷反复数次进行磁粉探伤发现，该缺陷处的磁粉聚集并不明显，而是缺陷自身的颜色与基体的色差较明显。所以这是与发纹有些类似的一种不明缺陷。

发现这种缺陷之后，对该批尚未精加工完毕的产品全部进行了磁粉探伤检验。检验发现存在这种缺陷的产品约占20%。

上述产品在焊接之前和淬回火之前的磁粉探伤时，都未曾发现这种缺陷。对用同一批原材料加工的尚未焊接和热处理的零件，以及焊接后尚未淬回火的产品也全部进行磁粉探伤检验，但也都没有发现这种缺陷，这说明这种缺陷只在淬回火之后才易被发现。

3 理化测试分析

3.1金相检查

在11号产品有缺陷的部位截取材料试样进行了金相检查，发现试样的横截面有白色缺陷存在（见图3），缺陷处的显微组织见图4。

从图4可见，产品材料组织为回火索氏体，缺陷处为异常的白亮组织区，但不是裂纹，也不是非金属夹杂物。

从以上检测分析可见，该批产品在精加工发现的“裂纹”并不是裂纹，也不是因钢中夹杂物或气孔、疏松导致的发纹[1]，更不是表面划痕，而是沿原材料轧制方向分布的细条状或细网带状的异常材料组织区。其表面颜色比正常材料明亮，所以初看起来很像是裂纹或划痕。材料组织与其化学成分有关，组织异常说明其成分异常。即该批产品的材料存在细条状或细网带状的成分偏析区。

表1 切向试样拉伸试验数据对照表

3.2 电镜能谱测试

对缺陷部位材料成分的能谱检测分析由原材料供应单位湖南衡阳华菱钢管有限公司进行。从探伤检验发现的缺陷较严重的几件产品中随机抽取了1件产品取样对比检测的正常区与偏析区的微区成分。图5为该件产品大直径零件缺陷区（偏析区）的能谱检测位置、曲线及数据。图6为该缺陷附近正常组织区的能谱检测位置、曲线及数据。

从图5和图6可见，缺陷区的合金元素Cr含量远高于30CrMnSiA钢正常的Cr含量。国标GB/ T 3077-1999 规定30CrMnSiA钢的Cr含量应为0.80wt%～1.10wt%[2][3]，偏析区Cr含量实为2.86wt%，相当于正常含量的3倍。

4 水压及力学性能试验

4.1 水压试验

由于Cr在调质结构钢中主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能。存在Cr偏析的30CrMnSiA钢的力学性能和产品使用性能值得探讨。

于是，从缺陷较严重的产品中随机抽取了1件作水压试验和水压爆破试验，其试验测值符合产品质量要求，与正常产品没有明显差别。

4.2 切向力学性能试验

由于缺陷为纵向，对材料和产品的横向或切向性能的影响最需要探讨，于是从前述取样检测了金相组织的11号产品上，切取了4件切向拉伸试样进行切向力学性能对比试验。

其中1号和3号是带有同1条（束）长缺陷的试样；3号和4号是产品的同一长度段上另一侧无缺陷部位的试样。1号和2号试样是采用线切割的方法同时切下的，3号和4号试样是同时切下的。

试样切割后加工成标准拉伸试样进行了拉伸试验，试验结果见表1。

从表1可见无偏析缺陷2号和4号试样的抗拉强度Rm和断后伸长率A都较高；试样带有偏析缺陷但尚未断在偏析缺陷处的1号试样的Rm和A稍有降低，但仍符合其材料标准关于抗拉强度Rm不低于1080MPa、断后伸长率A不低于8%的要求[2]；试样带有偏析缺陷而且断在偏析缺陷处的3号试样的强度有所降低，也还符合其材料标准的要求，而断后伸长率显著降低，明显不合格。

对比检查试样的拉伸曲线，1号、2号、4号试样的拉伸曲线在峰值之后有一段下降的曲线，而3号试样的拉伸曲线为单调上升曲线，峰值之后曲线终止。

5 讨论

5.1 缺陷的性质

根据上述测试分析，该批产品出现的“裂纹”、“划痕”、“发纹”并不是真正的裂纹、划痕、发纹，而是由零件原材料中的Cr成分偏析所导致的较光亮的线条状、细网带状原材料缺陷。该批零件所采用的原材料中存在合金元素Cr的含量显著高于正常材料含量的成分偏析区，经多次轧制之后，偏析区被拉长，呈线条状或细带状分布在材料中。

5.2 缺陷在真空淬回火之后才易发现

这种Cr偏析缺陷，在零件的切削加工、外观检验、磁粉探伤检验中尚未发现，在焊接之后的外观、探伤检验中也没能发现，直到真空热处理之后才被发现。这说明偏析带中Cr含量远高于30CrMnSiA钢的正常Cr含量，在原材料供应状态（退火状态），偏析区和正常材料区的组织形态、力学性能和亮度差别不大，以至于缺陷在其切削加工过程中、在磁粉探伤中都很难发现。

30CrMnSiA钢产品真空淬火后光亮，真空回火时有表面颜色易变暗的情况。产品在真空热处理后精加工时，细心负责的车工发现产品上有偏析带形成的亮线，酷似材料出现了裂纹。这说明偏析带处材料的Cr含量高，抗蚀性高于附近的正常材料，所以在真空回火之后，显得比正常材料明亮，肉眼就可以发现，而磁粉探伤时缺陷更显得明显。

由此可见，如果该产品不是采用真空热处理，可能也难以发现这种缺陷。

5.3 Cr偏析缺陷对材料性能的影响

从表1可见，带有这种纵向线条状Cr偏析缺陷的切向材料试样存在在偏析区（及其附近）断裂和在离偏析区稍远的正常组织区断裂的两种不同的可能性。其抗拉强度都是略低于没有缺陷的试样。断口在正常组织区的试样的断后伸长率符合材料标准的要求，而断口在偏析区的试样的断后伸长率则显著降低不合格。这表明这种Cr偏析区的材料比正常组织区的材料脆，这种Cr偏析缺陷不能提高30CrMnSiA钢产品材料的切向强度，而有可能显著降低材料的塑性。

5.4 Cr偏析缺陷对产品使用性能的影响

这样严重的Cr偏析是不符合国家有关材料标准的，属于原材料的质量问题。

由于这种缺陷不是裂纹，所以对材料、对产品的不良影响远比裂纹小。抽样进行水压试验和水压爆破试验无异常的情况说明这种偏析对该产品的水压强度没有明显的不良影响。

因此，对于水压强度和水压爆破试验合格就能满足其使用性能要求的产品，可以通过有关质量管理的审理程序考虑能否处理使用，否则应当报废。

6 结论

（1）上述30CrMnSiA钢产品出现的纵向分布的亮条状或细网带状不明缺陷，不是真正的裂纹、划痕或发纹，而是由零件的原材料中的Cr成分偏析所导致的较光亮的线条状、细网带状缺陷。

（2）在偏析区内，合金元素Cr的含量显著高于正常材料含量。在原材料供应状态，其缺陷很难发现，而在真空淬火及真空回火之后，偏析区比正常材料区光亮，才会被肉眼检查和磁粉探伤检验发现。

（3）这种Cr偏析缺陷不能提高30CrMnSiA钢产品材料的切向强度，而有可能显著降低材料的切向塑性。

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[1] 胡世炎.机械失效分析手册 [M].成都：四川科学技术出版社, 1989：223.

[2] GB/T 8162-2008.结构用无缝钢管[S]. 北京：中国标准出版社, 2008.

[3] GB/T 3077-1999.合金结构钢[S]. 北京：中国标准出版社, 1999.

Research on the Cr Segregation Defect of the Tubular Parts with 30CrMnSiA Steel

WANG haiyun1, YAO Chun-chen1, LI Baorong1, NIE Xiane1, CAO Junmin1,2, RUAN Ying-ying1
(1. JIANGNAN Industries Group Co., Ltd, Xiangtan, 411207; 2. Mechanical Engineering College in Xiangtan University, Xiangtan, 411105)

This paper introduces the analysis of the unidentified defects on the thin-walled tubular parts with 30CrMnSiA steel, such as suspected cracks, scratches and hair cracks by means of configuration inspection, magnetic powder inspection, metallographic inspection, electron microscope energy spectrum inspection and tests on the tangential mechanical properties as well. The analytic inspection and testing results indicate that the defects of the products are not the same with the suspected ones mentioned above, but the defects due to Cr segregation of the raw material, in addition, the defects take on bright line shape and tiny net shape. In the segregation zone, the Cr content of alloy element is distinctly more than that in the normal material; it is difficult to find out the defects in state of raw material, while after vacuum quenching and tempering processes, the segregation zone is brighter than the normal material, and the defects can be found during machining inspection and magnetic powder inspection. Moreover, the Cr segregation won' t increase the tangential strength of products with 30CrMnSiA steel, but it may obviously decrease the tangential plasticity of material.

30CrMnSiA steel; tubular parts; Cr segregation; defects; failure analysis; vacuum heat treatment; tangential mechanical properties

王海云（1964-），男，硕士，研究员级高级工程师，中国兵器工业集团公司科技带头人。