25MnV鏈條斷裂原因分析

文輝

摘要：通過對25MnV靜拉伸試驗斷裂樣品檢測，結合Hall-Petch原理及其CCT曲線進行分析發現，鏈條斷裂的主要原因是晶粒粗大和心部存在貝氏體、珠光體未淬透的組織。加熱溫度過高是心部晶粒粗大的主要原因，生產過程中應控制加熱溫度在920℃以下。25MnV鏈條淬火時，鏈條表面冷卻速度較快，轉變為馬氏體組織，鏈條心部冷卻速度慢，轉變為貝氏體、鐵素體，降低了鏈條成品的力學性能，淬火過程中應將冷速控制在50℃/s以上。

關鍵詞：25MnV，鏈條， 組織， 淬火

Abstract： Based on the analysis of fracture samples of 25MnV static tensile test， combined with Hall-Petch principle and CCT curve， it is found that the main reason of chain fracture is coarse grain and the presence of bainite and pearlite in the center. Too high heating temperature is the main reason for coarse grain in the center. The heating temperature should be controlled below 920 ℃. When the 25MnV chain is quenched， the cooling speed of the chain surface is fast and transforms into martensite， and the cooling speed of the chain core is slow， which changes into bainite and ferrite， which reduces the mechanical properties of the finished chain. The cooling rate should be controlled above 50 ℃ / s in the quenching process.

Key words： 25MnV， chain， structure， quenching

采礦用高強度圓環鏈是礦用刮板運輸機的關鍵零部件，也是整機最薄弱的環節。圓環鏈的質量穩定性直接關系到采礦的安全性，某制鏈企業生產的25MnV鏈條，在靜拉伸測試過程中出現了斷裂現象，達不到C級鏈的要求。鏈條制鏈的生產工藝：下料→熱彎→扁環→拋丸處理→閃光對焊→一次預拉伸→熱處理（淬火+回火）→預拉伸處理→檢驗→油漆。

1 試驗結果與分析

1.1斷口分析

根據圖1所示，靜拉伸樣品斷口無明顯的宏觀塑性變形，斷口截面相對齊平，并且垂直于拉伸載荷的方向;斷口灰暗，斷面粗糙，兩個規格均為脆性斷裂，基本無塑性變形，無剪切唇，形貌為解理和準解理特征[1]。

1.2 成分分析

對斷裂樣品進行成分分析，化學成分符合GB/T 10560中圓環鏈的成分要求。

1.3 掃描電鏡分析

通過對起裂點分析，斷口形貌為準解理，未發現夾雜、裂紋等冶金缺陷，如圖2所示。

1.4 組織分析

通過對拉伸斷裂的樣品斷口附近組織進行分析，發現鏈條邊部和心部的晶粒度粗大，級別達到3級，說明淬火加熱溫度過高，導致晶粒明顯粗大。心部有明顯未淬透的組織，邊部為板條馬氏體，如圖3-圖6所示。

心部的為淬透組織主要是貝氏體和少量鐵素體，25MnV鏈條淬火時，鏈條表面冷卻速度較快，轉變為馬氏體組織，鏈條心部冷卻速度慢，組織轉變為貝氏體和鐵素體。由于鏈條淬火后出現了多相組織，致使應力分布不均，易產生變形應力，也容易萌生裂紋源，降低鏈條的力學性能。

該鏈條采用400℃中溫回火，回火時板條馬氏體只是發生一定程度的回復，位錯進行重新排列，異號位錯相互抵消，形成位錯胞壁結構，板條馬氏體內的位錯密度依然較高，從微觀組織觀察并未發現機體再結晶的現象，由于鋼材碳含量較低，回火溫度位于中溫區間，板條鐵素體的過飽和度較小，鋼中的碳大部分以碳化物形式析出。

同時對靜拉伸試驗合格的同規格樣品進行金相組織分析，發現樣品的組織和晶粒度正常，心部為均勻的板條馬氏體，如圖7、圖8所示。

1.5 硬度分析

對靜拉伸斷裂樣品及合格樣品進行硬度分析，如表2所示，靜拉伸合格樣品平均硬度403HBW，靜拉伸斷裂樣品平均硬度373HBW，其中心部硬度只有302HBW，同時能夠證明靜拉伸試驗斷裂樣品心部未能完全淬透。

1.6 淬透性曲線計算

對25MnV的淬透性曲線進行了計算，其臨界淬透直徑DI=31.2mm，說明Φ26mm直徑的圓棒是能夠淬透的。

2 分析與討論

李亞欣等人[2]研究了25MnV的相變規律，當冷速為30℃/s時，相變組織主要是貝氏體和馬氏體，較少量的鐵素體。當冷速≥30℃/s時，隨著冷卻速度的加快，馬氏體的轉變量逐漸增加。冷卻速度為40℃/s時，相變組織為少量貝氏體和馬氏體。冷卻速度為50℃/s時，組織中幾乎全部為板條狀馬氏體。

結合25MnV的CCT曲線及斷裂鏈條的硬度判斷，斷裂鏈條的心部冷速很可能在30℃/s以下，心部存在貝氏體、少量的鐵素體等未淬透組織，是鏈條斷裂的原因之一。

淬火溫度對25MnV鋼晶粒度也有重要影響，當淬火溫度升高時，25MnV鋼的奧氏體晶粒尺寸緩慢增大，830℃淬火得到的晶粒為12級，隨淬火溫度的升高，組織逐漸粗大， 930℃淬火奧氏體晶粒最粗[3-4]。根據相關理論可知，奧氏體晶粒的增大速率與加熱溫度之間遵循如下關系：

式中：V 表示奧氏體晶粒的增大速率;D 表示不為零的正數;Q 表示材料活化能;R 代表玻爾茲曼常數;T表示材料的加熱溫度。因此，當淬火溫度升高時，晶粒原子擴散的活化能 Q 降低，并且晶粒的增大速率 V 會升高，奧氏體晶粒尺寸逐漸增大。

奧氏體中不同碳濃度微區的Ms點不同，低碳微區Ms點較高，淬火冷卻過程中首先形成馬氏體，高碳微區Ms點較低，后生成馬氏體。馬氏體轉變具有非等溫特性，由于形成溫度不同，馬氏體片不能穿越不同的碳濃度區而長大。因此馬氏體被細化，這種細化會帶來鋼的強度的升高。奧氏體化溫度越低，碳原子分布越不均勻，馬氏體板條束尺寸越小。隨淬火溫度的升高，碳原子擴散加劇，奧氏體晶粒中碳濃度趨于均勻，馬氏體板條束尺寸增大，鋼的強度降低。

晶粒度對材料的脆性斷裂有重要的影響，晶粒粗大會導致材料的韌性下降。大量實驗證實了多晶體材料的外加切應力τ與晶粒直徑平方根的倒數呈線性關系，Hall和Petch首先通過試驗數據歸納出這個關系[5]，即τ=τ*+kd-1/2。該公式已經得到很好的驗證，具有較好的試用性，如圖10所示的幾種鋼的晶粒尺寸與下屈服強度的關系[6]，由于常溫下晶界對位錯運動的堵塞，造成晶界越多，晶粒越細，材料的強度就越高。

斷裂韌性與晶粒尺寸大小相關，如果材料晶粒越粗，則晶界面積越小，故在一定區域內形變進而裂紋失穩擴展所需消耗的能量就越小，即KIC就越小，越容易斷裂。

通過分析可知，本次斷裂是在彈性應力范疇內在許用應力條件下一次加載引起的脆性斷裂，這類斷裂常常發生有外在原因或內部原因。外在原因包括受載時加載速率、環境溫度、工件設計形狀引起的應力集中，根據試驗條件，外部原因可以排除。斷裂鏈條內部存在未淬透組織和晶粒粗大的問題，斷裂的主要原因。

3 結論

1）通過對25MnV靜拉伸試驗斷裂樣品檢測，結合Hall-Petch原理及其CCT曲線進行分析發現，鏈條斷裂的主要原因是晶粒粗大和心部存在貝氏體、珠光體未淬透的組織。

2）加熱溫度過高是心部晶粒粗大的主要原因，生產過程中應控制加熱溫度在920℃以下。

3）25MnV鏈條淬火時，鏈條表面冷卻速度較快，轉變為馬氏體組織，鏈條心部冷卻速度慢，轉變為貝氏體、鐵素體，降低了鏈條成品的力學性能，淬火過程中應將冷速控制在50℃/s以上。

參考文獻：

[1]鐘坤鵬. 斷口學.[M]. 高等教育出版社. 2006：182.

[2]李亞欣，劉雅政，趙金鋒. 冷卻速度對25MnV/P110鋼級石油套管相變規律的影響[J]. 鋼管. 2009，38（1）：22-25.

[3]吳學林，李正嵩，練昌 等.淬火溫度對25MnV鋼組織性能的影響分析[J].冶金與材料. 2019，39（3）：18-19.

[4]李安銘. 25MnV鋼零保溫奧氏體逆相變淬火[J]. 煤炭學報. 2006，31（1）：129-133.

[5]鄒章雄. Hall-Petch關系的理論推導及其適用范圍討論[J]. 2012，30（6）：13-16.

[6]金屬學原理[M]. 北京：冶金工業出版社，2001