餐勺用1Cr17不锈钢冲压开裂原因分析

周杰，赵振铎，范光伟

（山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，山西太原 030003）

餐勺用1Cr17不锈钢冲压开裂原因分析

周杰，赵振铎，范光伟

（山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，山西太原 030003）

某工厂使用3.5 mm厚的冷轧退火产品1Cr17不锈钢在生产不锈钢餐勺时，材料发生冲压开裂。利用SEM、光学显微镜、显微硬度测试仪等手段，对开裂处进行断口观察、金相分析、显微硬度测试。研究结果表明，该产品冲压开裂的主要原因是不恰当的热处理导致1Cr17不锈钢在退火过程中进入α+γ双相区，最终在冷却到室温后出现马氏体相，马氏体大大降低了材料的塑性和韧性，导致了冲压开裂。

1Cr17 冲压开裂 组织转变

不锈钢餐具制品具有美观的外形和优良的不锈性能，深受广大消费者的喜爱。在不锈钢制品生产过程中，冲压开裂现象时有发生。引起开裂的原因有许多，如钢材基体中含有夹杂物、出现应力、加工过程中加工工艺不合适等等[1]。

某工厂采用3.5 mm厚的冷轧退火板1Cr17不锈钢生产餐勺，在冲压过程中，勺头与勺柄连接处出现了开裂，所以就此进行失效原因分析，为工艺优化提供指导。

1 试验方法

制作餐勺的材料为1Cr17不锈钢。餐勺的加工工艺为落料—碾压—退火—冲压。在落料工序，使用分条、剪切技术将宽1.0 m的卷板剪切成若干长150 mm、宽10 mm的窄条；在碾压工序，将窄条的一端前70 mm利用模具进行厚度减薄，形成三角形状；之后进行去应力退火，最后在模具中进行冲压定型。开裂在冲压过程中产生，呈横向延伸，并沿厚度方向穿透，如图1所示。

采用FEI NANO型扫描电子显微镜进行显微断口观察；采用LEICA DM47M型光学显微镜进行金相组织观察，侵蚀剂为4%FeCl3溶液；采用FM-700显微硬度计进行显微硬度测试；采用THERMICAL相图软件计算相图。

图1 餐勺开裂处

2 试验结果

2.1 断口特征

冲压开裂处位于勺头和勺柄连接处。沿着裂纹将餐勺开裂处打开，使断口暴露。宏观断口具有金属光泽，在阳光下转动断面，可看到闪闪发光的小刻面，如图2所示。

图2 宏观断口形貌

将断口部分置入丙酮溶液中进行超声波清洗之后，进行断口SEM观察。对断口进行不同倍数的观察后发现：断口为解理断口，在低倍断口上没有明显的裂纹源，放大后，观察到解理片，解理片无方向性，解理片之间无撕裂棱，断口面上无大颗粒夹杂物，说明断裂为瞬时的沿晶断裂，如图3所示。

图3 SEM断口形貌

2.2 组织观察

取垂直裂缝试样进行金相观察，对横向面进行抛光、侵蚀后使用光学显微镜观察。金相组织显示，材料基体是铁素体等轴晶，铁素体晶粒大小均匀，晶粒尺寸在30 μm左右；此外，组织中有明显分布的板条状组织，疑为马氏体相。

利用显微硬度仪进行显微硬度分析。通过对不同点进行硬度测试后，发现无板条存在的等轴晶粒处硬度为HV251（如图4-4中1#处所示），在铁素体硬度范围内，存在板条的晶粒处硬度为HV329（如图4-1中2#处所示），已远远超出了铁素体的硬度范围。硬度测试结果显示，材料中出现了马氏体相。

图4 金相组织

3 分析与讨论

1Cr17不锈钢属于第一代铁素体不锈钢，常规组织由铁素体和碳化物组成[2]。但是，在高温时存在α+γ双相区，最高γ相含量（质量分数）可达45%，冷却时会转变成α+M的双相组织。图5是Fe-Cr相图，相图中显示，1Cr17不锈钢在800℃时便有奥氏体析出，会进入奥氏体和铁素体双相区。在实际生产过程中，退火温度为810℃左右，显然已进入奥氏体和铁素体双相区。金相组织和硬度测试也表明退火后的材料内存在α+M的双相组织。所以，1Cr17不锈钢在冲压之前的退火工艺温度过高，使材料在退火加热时进入α+γ双相区，导致材料冷却到室温后其组织转变为α+M的双相组织。

马氏体组织有两种形态，分别是片状和板条状[3]。板条状马氏体往往出现在低碳钢中，在1Cr17不锈钢中出现的马氏体应为板条状马氏体。板条状马氏体内存在高密度位错，产生亚结构强化，因此具有高的强度和硬度，而韧性塑性较差，最终导致材料整体的塑性下降。同时，发生马氏体转变后，由于奥氏体的密度较马氏体的密度大，因此马氏体转变会造成体积膨胀，从而在材料内产生内应力，加剧了材料的塑性降低，最终导致材料在冲压时发生开裂。

图51 Cr17相图

4 结论

1）不恰当的热处理温度导致1Cr17不锈钢在退火过程中进入α+γ双相区，在冷却到室温后出现马氏体相。

2）马氏体大大降低了材料的塑性和韧性，最终导致冲压开裂。因此建议降低退火温度至800℃以下。

[1]钟培道，张栋.时效分析[M].北京：国防工业出版社，2004.

[2]康喜范.铁素体不锈钢[M].北京：冶金工业出版社，2012.

[3]宋维锡.金属学[M].北京：冶金工业出版社，2013.

（编辑：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，工程师，供职于山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，从事金属材料研究工作。