3Cr2W8V层状断口分析

关  云  (大冶钢厂钢铁研究所  黄石 435001)

摘  要：3Cr2W8V模具钢层状断口的条带区有a-MnS、b-MnS、a-W₂C和WC。大量长条状硫化锰及其周围的块状碳化钨或大量块状碳化钨及其包覆的条状硫化锰弱化了钢的基体，使这种钢在冲击应力作用下容易出现层状断口。

关键词：层状断口，硫化锰，碳化钨

关于3Cr2W8V模具钢的性能及组织已有很多工作者进行了研究，但对其层状断口的分析尚未见报道。根据已有的报道，可以将层状断口的开成原因归纳为如下四个方面：层状断口的奥氏体晶界面上存在着氮化铝薄膜；偏析区存在以链状的氧化物和硅酸盐为主的非金属夹杂物；存在翻皮或夹杂称集中区。本文通过扫描电镜、透射电镜观察及EDAX分析，发现实验钢层状断口是由于碳化物偏析带内富集硫化物或硫化物聚集带内富集钨的碳化物所引起的撕裂。

1  实验方法

实验用钢经电炉冶冻，其化学成分(wt0o)为：0.350oC，0.250oMn，0.170oSi，2.370oCr，8.19%W，0.330oV，0.0150oP，0.0060oS。试样取自3Cr2W8V钢，低倍观察存在中心疏松，相应的纵向断口为层状断口特征的试料，试样经标准的淬、回火处理。用扫描电镜观察层状断口形貌显微恃征，并采用EDAX对缺陷区的存在相进行成分分析。制备断n的萃取碳复型，供透射电镜观察和对萃取相的选区电子衍射分析。

2  观察结果

2.1 断口形貌的宏观特征和SEM观察

实验用3Cr2W8V钢纵向断口的宏观特征为：沿加工方向呈凸凹不平的无金属光泽的暗色条带，有的条带窄而密(试样A)，有的条带宽而疏(试样B)。扫描电镜的低倍率下，试样A的断裂特征如图1(a)所示。两试样的断裂基底均为准解理特征。在试样A的条带区，长条状夹杂物沿条带不连续分布，其中还可能有极少量颗粒状氧化物夹杂，其周围有较多无规则块状相，如图1(b)所示。EDAX表明，条状相为硫化锰，无规则块状相为钨的化合物。试样B的条带区，长条状硫化物较少，主要是块状钨的化合物沿条带方向分布，而且有的块中还包覆着条状硫化物，如图1(c)所示。

图1   试样A层状断口的低倍率特征(a)和条带区夹杂物特征(b)；试样B条带区夹杂物特征(c)

2.2 萃取相的TEM观察分析

萃取相的选区电子衍射分析表明，条带区存在四种结构特征的析出相：a-MnS、b-MnS、a-W₂C和WC。图2(a)(b)分别为条状a-MnS的[012]晶带衍射和b-MnS的[111]晶带衍射，图3(a)为块状a-W₂C的[532]和[253]晶带衍射，图3(b)为a-W₂C 和[211]及[100]晶带衍射；图3(c)为块状WC的[001]晶带衍射及a-MnS的[001]晶带衍射。

图2  (a)(b)分别为条状a-MnS的[012]晶带衍射和b-MnS的[111]晶带衍射

图3  (a)为块状a-W₂C的[532]和[253]晶带衍射，(b)为a-W₂C 和[211]及[100]晶带衍射；

(c)为块状WC的[001]晶带衍射及a-MnS的[001]晶带衍射。

3  讨论

3.1 众所周知，铸锭凝固过程中，锭中心区域易形成碳化物夹杂，含锰钢则容易形成MnS夹杂。在这些区域中，由于C和W也发生正偏析，因此在硫化物周围形成钨的碳化物偏析。

3.2 在硫化物含量多的条带区域，由于硫化物夹杂与基体结合力较弱，受冲击时其界面优先分离形成空穴，即产生裂缝，其附近聚集的块状碳化钨为裂纹的扩展提供了有利条件，条带间的基体由于局部过负载而被撕裂，撕裂过程中引起一定塑性变形，使断口呈现为高低不平的的准解理平面，便出现试验钢的层状结构。

在硫化物含量较少，碳化钨含量较高的条带区，受外力冲击时，空穴则会优先在塑性较差的碳化钨与基体的界面处生核并迅速扩展而形成层状断口。

3.3 当形成碳化物的金属原子百分数与碳原子的原子百分数之比率N_M/N_C=1.32～1.96时，析出的碳化物为M₂C型，试验钢的N_W/N_C=1.59，故能析出a-W₂C 。WC与a-W₂C都是密排六方晶格，可把碳化物a-W₂C视为碳原子不足的WC。条带区域中的WC也可能是稳定a-W₂C回火时转变而成的。

4  结论

层状断口条带区富含C，S，Mn，W，因此容易形成a-MnS、b-MnS、a-W₂C和WC。大量长条状不连续分布的MnS及其周围的无规则块状碳化钨，或者大量的块状碳化钨及其包覆的条件MnS，使钢的基体遭到弱化，在冲击力的作用下形成有层状缺陷的断口特征。