CN110967292B - 一种含硫中碳钢大棒材中硫化物形态的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含硫中碳钢大棒材中硫化物形态的检测方法，在直径140~170mm的含硫中碳钢棒材中取横向试样进行拉伸试验，测量断后伸长率，以判断取样区域中分布最聚集位置的硫化物形态。本发明采用上述检测方法可以不进行金相检验而快速、准确判断取样区域中分布最聚集位置的硫化物形态，为大棒材中硫化物控制水平评价和后续产品性能预测提供依据。采用断后伸长率表征硫化物对材料塑性的影响，相对于利用断面收缩率评价时人为测试误差小，复杂应力状态影响小，本发明的测量更加准确和稳定。

Description

一种含硫中碳钢大棒材中硫化物形态的检测方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，是一种含硫中碳钢大棒材中硫化物形态的检测方法，具体涉及一种通过测量横向拉伸试样断后伸长率判断中碳钢大棒材中硫化物形态的检测方法。
背景技术
易切削中碳非调质钢是一种利用硫化物夹杂改善切削效果的钢种，由于具有良好的力学性能和切削性能，广泛用于制备汽车关键零部件。切削加工时，其中的硫化物夹杂会与基体分离产生良好的断屑效果，同时可以润滑刀头，减轻刀具的磨损。因此易切削中碳非调质钢是汽车发动机曲轴等形状复杂、切削加工量大的零部件的理想原料。由于冶炼和凝固工艺不稳定以及控制手段有限，使得国产易切削中碳非调质钢大棒材中硫化物的聚集分布经常呈现不同的形态，对棒材和后续产品的力学性能稳定性与切削性能产生显著影响。因此，快速、准确判断大棒材中硫化物的形态对钢材的夹杂物控制水平评价和后续产品性能预测具有重要意义。
金相法是判断硫化物形态的主要方法。实际检验中受制样水平和检验人员素质等因素限制，多数企业只能参照国标《GB/T 10516-2005钢中非金属夹杂物含量的测定方法》对硫化物的粗细和长度进行评级，无法准确描述硫化物的二维/三维形态，进而无法给技术人员提供足够信息。此外，金相法观察硫化物受取样位置限制，只能观察到截取平面的硫化物形态，难以捕捉到分布最聚集、对性能影响最显著位置的硫化物。
拉伸试验是检测材料强度和塑性的常规手段。钢材在进行质检和交易验收时一般都会进行拉伸试验检测，取样、检测流程规范，检测结果可靠。大棒材中硫化物通常沿轧向分布并被拉长，因此硫化物对轧向力学性能影响不大，但会显著降低材料的横向塑性。横向拉伸时，硫化物与基体受到拉应力而产生分离形成微裂纹。形态的不同硫化物产生的微裂纹长度、形态不同，微裂纹聚合扩展行为也不同，进而造成材料塑性指标产生显著区别。因此，在成分和显微组织相近的前提下，大棒材横向拉伸断后伸长率(A)、断面收缩率(Z)等与取样区域中分布最聚集位置的硫化物形态存在相对稳定的对应关系。断后伸长率反映了拉伸过程中整个塑性变形过程试样长度的改变，测量简单、准确，而断面收缩率更倾向于表征发生颈缩的不均匀塑性变形过程中试样的变化，该阶段应力状态复杂，影响断面收缩率数值的因素很多，此外，拉伸试样断后最小截面积检测的人为误差很大，进一步增大了断面收缩率数值的波动性，因此使用断后伸长率表征硫化物对材料塑性的影响更加准确、稳定。
发明内容
本发明针对碳钢中硫化物的形态检测不稳定，难操作以及采用断面收缩率进行评价数据波动大的问题，提供一种含硫中碳钢大棒材中硫化物形态的检测方法，利用横向拉伸试验测试拉伸断后伸长率，快速、准确判断含硫中碳钢大棒材中取样区域中分布最聚集位置硫化物的形态。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种含硫中碳钢大棒材中硫化物形态的检测方法，在直径为140～170mm的含硫中碳钢棒材中取试样进行横向拉伸试验，测量断后伸长率，判断取样区域中分布最聚集位置的硫化物形态，所述试样轴向垂直于棒材轧向；其中，试样断后伸长率与取样区域中分布最聚集位置的硫化物形态对应关系包括：
断后伸长率处于12～17％时，硫化物形态为单条硫化物呈长条形，不存在2条以上的长条硫化物近距离平行分布，随单条硫化物长度增大，断后伸长率下降；
断后伸长率处于7～12％时，硫化物形态为单条硫化物呈长条形，存在2条及以上的长条硫化物近距离平行分布，随单条硫化物间距减小以及平行硫化物总长度增大，断后伸长率下降；
断后伸长率小于7％时，硫化物形态为短小棒状硫化物沿轧向分布呈条带，存在2条及以上的短小硫化物近距离平行分布，随条带长度增大以及宽度区域中条带数量增多，断后伸长率下降。
本发明采用上述的检测方法，是基于大棒材横截面积较大，在轧制成形后冷速缓慢且不易受外界环境影响。因此棒材组织为铁素体和珠光体的组合，各组织占比稳定，力学性能波动很小。添加硫化物后，棒材横向力学性能下降，并且降低程度与硫化物的形态密切相关。横向拉伸时，当应力小于屈服强度时部分硫化物即与基体产生分离，形成微裂纹。塑性变形的过程即是微裂纹聚合、扩展、失稳至断裂的过程。拉伸速率较快时，拉应力增速较快，微裂纹很容易沿垂直于拉应力的方向沿基体扩展，而不是沿硫化物开裂。而当拉伸速率很慢时，微裂纹倾向于沿硫化物充分扩展，微裂纹的形态更加清晰的反映硫化物的形态和分布。因此在慢速拉伸实验中，含硫中碳钢大棒材横向试样的断后伸长率与硫化物形态直接相关。本方法中断后伸长率与硫化物形态对应关系来源于大量实验数据的积累。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的试样为哑铃型棒状试样，包括平行段和夹持端；其中，所述平行段的截面直径为6mm，长度为30mm，表面粗糙度Ra不大于3.2；所述夹持端的截面直径为10～15mm，与平行段为过渡圆弧连接。
上述的横向拉伸试验的具体步骤为：
S1：在试样的平行段做两组间距为25mm的标记，并测量同组标记间的实际距离；
S2：试样的夹持端使用楔形夹头加持在拉伸试验机上并对中；
S3：以小于1mm/min的速度进行拉伸，至试样拉断；
S4：将拉断的试样配接在一起使其轴线处于同一直线上，确保断裂部分适当接触时测量拉断后包含断口的任意一组标记之间的距离；
S5：计算断后伸长率，公式如下：
A＝(l1-l0)/l0×100％；
式中，A表示断后伸长率；l1表示试样拉断后标记之间的距离；l0表示初始试样标记的实际距离。
上述横向拉伸试验的步骤S3中，拉伸速度为0.5～1mm/min。
上述含硫中碳钢棒材的化学成分质量百分比范围为：C：0.34～0.40％、Si：0.35～0.65％、Mn：1.25～1.65％、S：0.025～0.035％、P：0～0.030％，余量为Fe及不可避免杂质。
上述的对应关系中，当存在2条及以上的长条硫化物或短小硫化物时，所述长条硫化物近距离不超过30μm，所述短小硫化物近距离不超过30μm。
值得注意的是，本发明所述方法适用的拉伸试样对试样尺寸和加工方式提出了明确要求。拉伸试样标距长度会影响断后伸长率的具体数值，而本方法的对应关系来源于实验数据积累，因此，试样尺寸的不同会影响断后伸长率的具体数值。本发明方法适用的拉伸试样为哑铃型棒状试样，平行段尺寸为Φ6×30mm，表面精车，控制粗糙度Ra不大于3.2；夹持端直径大于10mm，优选为10～15mm，与平行段过渡圆弧连接，夹持端粗车即可，不加工螺纹；试验机为电子拉伸试验机。当平行段表面粗糙度Ra大于3.2时，表面可见加工痕迹，这些加工痕迹很可能成为裂纹源，造成实验结果出现偏差，当螺纹式夹持端尖端恰好存在硫化物时，拉伸过程中很可能在夹持端出现断裂，造成试验失败。同时，所述试样轴向垂直于棒材轧向，这是由于棒材中硫化物沿轧向伸长，试样轴向垂直于硫化物时，硫化物形态不同对拉伸性能的影响最为显著。
本发明所述方法适用的拉伸过程对拉伸速率提出了明确要求。本发明要求拉伸速率小于1mm/min，优选为0.5～1mm/min，当拉伸速率小于1mm/min时，有利于微裂纹沿硫化物形态充分扩展，并与附近其他硫化物形成的微裂纹聚合；当微裂纹达到临界尺寸时失稳扩展，造成试样断裂，因此要求以小于1mm/min的速度进行拉伸，至试样拉断。
本发明所述横向拉伸试验试样断后伸长率与取样区域中分布最聚集位置的硫化物形态对应关系说明了不同断后伸长率对应的硫化物形态分类和同一类别中断后伸长率高低的影响因素。由于横向拉伸试样中微裂纹萌生于硫化物与基体的界面处并沿硫化物聚合扩展，因此拉伸试样最终断裂的位置是硫化物分布最聚集的位置。同时硫化物形态的不同决定了裂纹扩展至失稳断裂的时长进而决定了断后伸长率的高低。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用上述检测方法可以不进行金相检验而快速、准确判断取样区域中分布最聚集位置的硫化物形态，其具体对应关系为：断后伸长率处于12～17％时，硫化物形态为单条硫化物呈长条形，不存在2条以上的长条硫化物近距离平行分布，断后伸长率随单条硫化物长度增大而下降；断后伸长率处于7～12％时，硫化物形态为单条硫化物呈长条形，存在2条及以上的长条硫化物近距离平行分布，断后伸长率随单条硫化物间距减小以及平行硫化物总长度增大而下降；断后伸长率小于7％时，硫化物形态为短小棒状硫化物沿轧向分布呈条带，存在2条及以上的短小硫化物近距离平行分布，断后伸长率随条带长度增大以及宽度区域中条带数量增多而下降，这为大棒材中硫化物控制水平评价和后续产品性能预测提供依据。
(2)本发明采用断后伸长率表征硫化物对材料塑性的影响，相对于断面收缩率的人为测试误差小，复杂应力状态影响小，本发明的测量更加准确和稳定。
(3)本发明采用上述检测方法相对于金相检测，测量范围更大，可以直接获得检测区域三维空间中分布最聚集的硫化物形态。
附图说明
图1是本发明的方法对硫化物形态的分类示意图。
图2是实施例1断后伸长率为15.1％的横向拉伸试样最聚集位置的硫化物形态照片。
图3是实施例2断后伸长率为13.7％的横向拉伸试样最聚集位置的硫化物形态照片。
图4是实施例3断后伸长率为9.8％的横向拉伸试样最聚集位置的硫化物形态照片。
图5是实施例4断后伸长率为7.2％的横向拉伸试样最聚集位置的硫化物形态照片。
图6是实施例5断后伸长率为6.4％的横向拉伸试样最聚集位置的硫化物形态照片。
图7是实施例6断后伸长率为4.8％的横向拉伸试样最聚集位置的硫化物形态照片。
图8是本发明试样的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种含硫中碳钢大棒材中硫化物形态的检测方法，在直径为140～170mm的含硫中碳钢棒材中取试样进行横向拉伸试验，测量断后伸长率，判断取样区域中分布最聚集位置的硫化物形态，所述试样轴向垂直于棒材轧向。其中，参见图8，所述的试样为哑铃型棒状试样，包括平行段和夹持端；其中，所述平行段的截面直径为6mm，长度为30mm，表面精车，控制表面粗糙度Ra不大于3.2；所述夹持端的截面直径为10～15mm，优选为12mm，夹持端粗车，不加工螺纹，与平行段为过渡圆弧连接。
所述的横向拉伸试验的具体步骤为：
S1：在试样的平行段做两组间距为25mm的标记，并测量同组标记间的实际距离；
S2：试样的夹持端使用楔形夹头加持在拉伸试验机上并对中；
S3：以0.5mm/min的速度进行拉伸，至试样拉断；
S4：将拉断的试样配接在一起使其轴线处于同一直线上，确保断裂部分适当接触时测量拉断后包含断口的任意一组标记之间的距离；
S5：计算断后伸长率，公式如下：
A＝(l1-l0)/l0×100％；
式中，A表示断后伸长率；l1表示试样拉断后标记之间的距离；l0表示初始试样标记的实际距离。
参见图1为本方法对硫化物形态的分类图。当硫化物为类型A时，硫化物两端相对圆滑，其与基体分离形成的微裂纹不易扩展。同时相邻的硫化物距离较远，微裂纹之间不易聚合。因此分布最聚集位置的硫化物呈现A类型形态时断后伸长率较高，积累数据表明此时断后伸长率为12％～17％，而单条硫化物长度(l)增大，微裂纹长度增长，更接近裂纹失稳的临界尺寸，断后伸长率降低。因此试样断后伸长率与取样区域中分布最聚集位置的硫化物形态对应关系为：断后伸长率处于12％～17％时，硫化物形态为附图1所示A类。即单条硫化物呈长条形，不存在2条以上的长条硫化物近距离(w<30μm)平行分布。随单条硫化物长度(l)增大，断后伸长率下降。
当硫化物为类型B时，相邻的硫化物距离(w)显著降低，形成的微裂纹容易聚合成尺寸更大的二维裂纹，显著增大了微裂纹的扩展倾向，导致断后伸长率显著降低。积累数据表明此时断后伸长率为7％～12％，单条硫化物间距(w)减小，微裂纹更容易聚合为二维裂纹，单条硫化物长度(l)增大，微裂纹长度增长，更接近裂纹失稳的临界尺寸，断后伸长率降低。因此试样断后伸长率与取样区域中分布最聚集位置的硫化物形态对应关系为：断后伸长率处于7％～12％时，硫化物形态为附图1所示B类。即单条硫化物呈长条形，存在2条及以上的长条硫化物近距离(w<30μm)平行分布。随单条硫化物间距(w)减小、平行硫化物总长度(L)增大，断后伸长率下降。
当硫化物为类型C时，硫化物形态发生显著改变。由粗大的单条硫化物变为短棒状硫化物断续分布呈条带状。这种二维形貌反映了硫化物在三维空间中也呈条带分布。这种短棒状硫化物尺寸小，形成的微裂纹两端尖锐，微裂纹极易沿条带聚合成三维裂纹。这种形态复杂的裂纹在拉伸时极易失稳扩展，造成断后伸长率进一步降低。积累数据表明此时断后伸长率小于7％。条带长度(l)增大，微裂纹长度增长，更接近裂纹失稳的临界尺寸；一定宽度(W)区域中条带数量增多，微裂纹更容易垂直轧向聚合，失稳倾向增大。因此试样断后伸长率与取样区域中分布最聚集位置的硫化物形态对应关系为：断后伸长率小于7％时，硫化物形态为附图1所示C类。即硫化物呈短小棒状沿轧向分布呈条带，且存在2条及以上的短小硫化物近距离(w<30μm)平行分布。随条带长度(l)增大、一定宽度(W)区域中条带数量增多，断后伸长率下降。
实施例1
使用上述方法对一直径160mm的含硫中碳钢大棒材进行检测，该中碳钢具有如下的质量百分比化学成分：0.37％C、0.55％Si、1.35％Mn、0.010％P、0.030％S，余量为Fe及不可避免杂质。经计算棒材横向拉伸试样断后伸长率为15.1％。参见图2，照片的宽度方向为轧向，深灰色长条状为硫化物，硫化物形态为按附图1分类的A类，且单条硫化物长度(l)相对较短，因此使用本方法检测，断后伸长率与硫化物形态对应关系准确。
实施例2
使用上述方法对一直径140mm的含硫中碳钢大棒材进行检测，该中碳钢具有如下的质量百分比化学成分：0.36％C、0.53％Si、1.35％Mn、0.011％P、0.032％S，余量为Fe及不可避免杂质。经计算棒材横向拉伸试样断后伸长率为13.7％。参见图3，照片的宽度方向为轧向，深灰色长条状为硫化物，硫化物形态为按附图1分类的A类，但硫化物单条长度(l)相对实施例1明显增长，断后伸长率随之所下降，使用本方法检测，断后伸长率与硫化物形态对应关系准确。
实施例3
使用上述方法对一直径150mm的含硫中碳钢大棒材进行检测，该中碳钢具有如下的质量百分比化学成分：0.38％C、0.45％Si、1.55％Mn、0.008％P、0.029％S，余量为Fe及不可避免杂质。经计算棒材横向拉伸试样断后伸长率为9.8％。参见图4，照片的宽度方向为轧向，深灰色长条状为硫化物，硫化物形态为按附图1分类的B类，出现了长条硫化物近距离平行分布的现象，因此断后伸长率降至12％以下，使用本方法检测，断后伸长率与硫化物形态对应关系准确。
实施例4
使用上述方法对一直径170mm的含硫中碳钢大棒材进行检测，该中碳钢具有如下的质量百分比化学成分：0.39％C、0.50％Si、1.45％Mn、0.011％P、0.028％S，余量为Fe及不可避免杂质。经计算棒材横向拉伸试样断后伸长率为7.2％。参见图5，照片的宽度方向为轧向，深灰色长条状为硫化物，硫化物形态为按附图1分类的B类，但相邻的硫化物距离(w)相对实施例3明显减小，最聚集位置的平行硫化物总长度(L)也有所增长，因此，断后伸长率随之下降。使用本方法检测，断后伸长率与硫化物形态对应关系准确。
实施例5
使用上述方法对一直径160mm的含硫中碳钢大棒材进行检测，该中碳钢具有如下的质量百分比化学成分：0.39％C、0.53％Si、1.36％Mn、0.013％P、0.031％S，余量为Fe及不可避免杂质。经计算棒材横向拉伸试样断后伸长率为6.4％。参见图6，照片的宽度方向为轧向，深灰色短棒状和长条状为硫化物，硫化物形态为按附图1分类的C类，出现了较多短棒状硫化物沿轧向分布成条带的现象，并且条带中存在多条近距离平行分布的短小硫化物，因此，断后伸长率降至7％以下。使用本方法检测，断后伸长率与硫化物形态对应关系准确。
实施例6
使用上述方法对一直径150mm的含硫中碳钢大棒材进行检测，该中碳钢具有如下的质量百分比化学成分：0.35％C、0.50％Si、1.49％Mn、0.010％P、0.027％S，余量为Fe及不可避免杂质。经计算棒材横向拉伸试样断后伸长率为4.8％。参见图7，照片的宽度方向为轧向，深灰色短棒状和长条状为硫化物，硫化物形态为按附图1分类的C类，出现了较多短棒状硫化物沿轧向分布成条带的现象，并且一定宽度区域中(W)条带数量明显多于实施例5，因此，断后伸长率继续降低。使用本方法检测，断后伸长率与硫化物形态对应关系准确。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种含硫中碳钢大棒材中硫化物形态的检测方法，其特征在于：在直径为140～170mm的含硫中碳钢棒材中取试样进行横向拉伸试验，测量断后伸长率，判断取样区域中分布最聚集位置的硫化物形态，所述试样轴向垂直于棒材轧向；其中，试样断后伸长率与取样区域中分布最聚集位置的硫化物形态对应关系包括：
断后伸长率处于12～17％时，硫化物形态为单条硫化物呈长条形，不存在2条以上的长条硫化物近距离平行分布，随单条硫化物长度增大，断后伸长率下降；
断后伸长率处于7～12％时，硫化物形态为单条硫化物呈长条形，存在2条及以上的长条硫化物近距离平行分布，随单条硫化物间距减小以及平行硫化物总长度增大，断后伸长率下降；
断后伸长率小于7％时，硫化物形态为短小棒状硫化物沿轧向分布呈条带，存在2条及以上的短小硫化物近距离平行分布，随条带长度增大以及宽度区域中条带数量增多，断后伸长率下降；
当存在2条及以上的长条硫化物或短小硫化物时，所述长条硫化物近距离不超过30μm，所述短小硫化物近距离不超过30μm；
所述含硫中碳钢棒材的化学成分质量百分比范围为：C：0.34～0.40％、Si：0.35～0.65％、Mn：1.25～1.65％、S：0.025～0.035％、P：0～0.030％，余量为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种含硫中碳钢大棒材中硫化物形态的检测方法，其特征在于：所述的试样为哑铃型棒状试样，包括平行段和夹持端；其中，所述平行段的截面直径为6mm，长度为30mm，表面粗糙度Ra不大于3.2；所述夹持端的截面直径为10～15mm，与平行段为过渡圆弧连接。
3.根据权利要求2所述的一种含硫中碳钢大棒材中硫化物形态的检测方法，其特征在于：所述的横向拉伸试验的具体步骤为：
S1：在试样的平行段做两组间距为25mm的标记，并测量同组标记间的实际距离；
S2：试样的夹持端使用楔形夹头加持在拉伸试验机上并对中；
S3：以小于1mm/min的速度进行拉伸，至试样拉断；
S4：将拉断的试样配接在一起使其轴线处于同一直线上，确保断裂部分适当接触时测量拉断后包含断口的任意一组标记之间的距离；
S5：计算断后伸长率，公式如下： A＝(l1-l0)/l0×100％；
式中，A表示断后伸长率；l1表示试样拉断后标记之间的距离；l0表示初始试样标记的实际距离。
4.根据权利要求3所述的一种含硫中碳钢大棒材中硫化物形态的检测方法，其特征在于：所述横向拉伸试验的步骤S3中，拉伸速度为0.5～1mm/min。
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