周杰，趙振鐸，范光偉

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術中心，山西太原 030003）

餐勺用1Cr17不銹鋼沖壓開裂原因分析

周杰，趙振鐸，范光偉

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術中心，山西太原 030003）

某工廠使用3.5 mm厚的冷軋退火產(chǎn)品1Cr17不銹鋼在生產(chǎn)不銹鋼餐勺時，材料發(fā)生沖壓開裂。利用SEM、光學顯微鏡、顯微硬度測試儀等手段，對開裂處進行斷口觀察、金相分析、顯微硬度測試。研究結(jié)果表明，該產(chǎn)品沖壓開裂的主要原因是不恰當?shù)臒崽幚韺е?Cr17不銹鋼在退火過程中進入α+γ雙相區(qū)，最終在冷卻到室溫后出現(xiàn)馬氏體相，馬氏體大大降低了材料的塑性和韌性，導致了沖壓開裂。

1Cr17 沖壓開裂 組織轉(zhuǎn)變

不銹鋼餐具制品具有美觀的外形和優(yōu)良的不銹性能，深受廣大消費者的喜愛。在不銹鋼制品生產(chǎn)過程中，沖壓開裂現(xiàn)象時有發(fā)生。引起開裂的原因有許多，如鋼材基體中含有夾雜物、出現(xiàn)應力、加工過程中加工工藝不合適等等[1]。

某工廠采用3.5 mm厚的冷軋退火板1Cr17不銹鋼生產(chǎn)餐勺，在沖壓過程中，勺頭與勺柄連接處出現(xiàn)了開裂，所以就此進行失效原因分析，為工藝優(yōu)化提供指導。

1 試驗方法

制作餐勺的材料為1Cr17不銹鋼。餐勺的加工工藝為落料—碾壓—退火—沖壓。在落料工序，使用分條、剪切技術將寬1.0 m的卷板剪切成若干長150 mm、寬10 mm的窄條；在碾壓工序，將窄條的一端前70 mm利用模具進行厚度減薄，形成三角形狀；之后進行去應力退火，最后在模具中進行沖壓定型。開裂在沖壓過程中產(chǎn)生，呈橫向延伸，并沿厚度方向穿透，如圖1所示。

采用FEI NANO型掃描電子顯微鏡進行顯微斷口觀察；采用LEICA DM47M型光學顯微鏡進行金相組織觀察，侵蝕劑為4%FeCl3溶液；采用FM-700顯微硬度計進行顯微硬度測試；采用THERMICAL相圖軟件計算相圖。

圖1 餐勺開裂處

2 試驗結(jié)果

2.1 斷口特征

沖壓開裂處位于勺頭和勺柄連接處。沿著裂紋將餐勺開裂處打開，使斷口暴露。宏觀斷口具有金屬光澤，在陽光下轉(zhuǎn)動斷面，可看到閃閃發(fā)光的小刻面，如圖2所示。

圖2 宏觀斷口形貌

將斷口部分置入丙酮溶液中進行超聲波清洗之后，進行斷口SEM觀察。對斷口進行不同倍數(shù)的觀察后發(fā)現(xiàn)：斷口為解理斷口，在低倍斷口上沒有明顯的裂紋源，放大后，觀察到解理片，解理片無方向性，解理片之間無撕裂棱，斷口面上無大顆粒夾雜物，說明斷裂為瞬時的沿晶斷裂，如圖3所示。

圖3 SEM斷口形貌

2.2 組織觀察

取垂直裂縫試樣進行金相觀察，對橫向面進行拋光、侵蝕后使用光學顯微鏡觀察。金相組織顯示，材料基體是鐵素體等軸晶，鐵素體晶粒大小均勻，晶粒尺寸在30 μm左右；此外，組織中有明顯分布的板條狀組織，疑為馬氏體相。

利用顯微硬度儀進行顯微硬度分析。通過對不同點進行硬度測試后，發(fā)現(xiàn)無板條存在的等軸晶粒處硬度為HV251（如圖4-4中1#處所示），在鐵素體硬度范圍內(nèi)，存在板條的晶粒處硬度為HV329（如圖4-1中2#處所示），已遠遠超出了鐵素體的硬度范圍。硬度測試結(jié)果顯示，材料中出現(xiàn)了馬氏體相。

圖4 金相組織

3 分析與討論

1Cr17不銹鋼屬于第一代鐵素體不銹鋼，常規(guī)組織由鐵素體和碳化物組成[2]。但是，在高溫時存在α+γ雙相區(qū)，最高γ相含量（質(zhì)量分數(shù)）可達45%，冷卻時會轉(zhuǎn)變成α+M的雙相組織。圖5是Fe-Cr相圖，相圖中顯示，1Cr17不銹鋼在800℃時便有奧氏體析出，會進入奧氏體和鐵素體雙相區(qū)。在實際生產(chǎn)過程中，退火溫度為810℃左右，顯然已進入奧氏體和鐵素體雙相區(qū)。金相組織和硬度測試也表明退火后的材料內(nèi)存在α+M的雙相組織。所以，1Cr17不銹鋼在沖壓之前的退火工藝溫度過高，使材料在退火加熱時進入α+γ雙相區(qū)，導致材料冷卻到室溫后其組織轉(zhuǎn)變?yōu)棣?M的雙相組織。

馬氏體組織有兩種形態(tài)，分別是片狀和板條狀[3]。板條狀馬氏體往往出現(xiàn)在低碳鋼中，在1Cr17不銹鋼中出現(xiàn)的馬氏體應為板條狀馬氏體。板條狀馬氏體內(nèi)存在高密度位錯，產(chǎn)生亞結(jié)構強化，因此具有高的強度和硬度，而韌性塑性較差，最終導致材料整體的塑性下降。同時，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變后，由于奧氏體的密度較馬氏體的密度大，因此馬氏體轉(zhuǎn)變會造成體積膨脹，從而在材料內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)應力，加劇了材料的塑性降低，最終導致材料在沖壓時發(fā)生開裂。

圖51 Cr17相圖

4 結(jié)論

1）不恰當?shù)臒崽幚頊囟葘е?Cr17不銹鋼在退火過程中進入α+γ雙相區(qū)，在冷卻到室溫后出現(xiàn)馬氏體相。

2）馬氏體大大降低了材料的塑性和韌性，最終導致沖壓開裂。因此建議降低退火溫度至800℃以下。

[1]鐘培道，張棟.時效分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[2]康喜范.鐵素體不銹鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[3]宋維錫.金屬學[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013.

（編輯：胡玉香）

Fracture Analysis of Spoons made of 1Cr17 Stainless Steel

ZHOU Jie,ZHAO Zhenduo,FAN Guangwei
（Technology Center of Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 03003）

By using 3.5 mm cold rolled annealed 1Cr17 stainless steel in the production of stainless steel spoon,the material is cracked.Using SEM,optical microscope,micro hardness tester and other means,the observation, metallographic analysis and micro hardness test of the fracture are carried out.The results show that the main reason for the stamping cracking is the improper heat treatment,which causes 1Cr17 stainless steel into the α+γ dual phase region in annealing process,and martensite phase appears when cooling to room temperature.The martensite greatly reduces the plasticity and toughness of the material,leading to the punching cracking.

1Cr17,stamping crack,organization transformation

TG142.71

A

1672-1152（2016）06-0016-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.05

2016-10-28

周杰（1987—），男，工程師，供職于山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術中心，從事金屬材料研究工作。