圓鋼縱裂失效分析

慎　思　張瑞鋒

(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司理化檢測(cè)中心，黑龍江161042)

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圓鋼縱裂失效分析

慎思張瑞鋒

(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司理化檢測(cè)中心，黑龍江161042)

摘要：一批40Cr圓鋼在調(diào)質(zhì)熱處理后出現(xiàn)縱向裂紋，通過金相宏觀、微觀分析等手段，找出了縱向裂紋的形成原因，并提出了一些措施防止產(chǎn)生縱向裂紋。

熱處理裂紋是一種不可修復(fù)的工藝缺陷，使已加工好的工件徹底報(bào)廢，小尺寸原材料無(wú)法使用，不僅造成金屬材料和加工費(fèi)用的損失，而且延誤工期，這是一個(gè)一直困擾熱處理工作者的問題。淬火裂紋是一種常見的熱處理裂紋，是淬火過程中或淬火后室溫放置過程中產(chǎn)生的裂紋。其影響因素包括過熱、冷卻不當(dāng)、回火不及時(shí)、工藝操作失誤、原材料缺陷和化學(xué)成分有誤等。從裂紋走向來(lái)看，一般分為縱向裂紋和橫向裂紋。就細(xì)長(zhǎng)類普通小鋼件而言，裂紋形態(tài)為縱向裂紋，并且只形成一條裂紋，無(wú)分支現(xiàn)象。

某公司外購(gòu)的一批材質(zhì)為40Cr的圓鋼，委托外協(xié)廠家進(jìn)行加工處理，在經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后大量圓鋼料出現(xiàn)縱向裂紋。經(jīng)查，同一批次共800根試棒，其中開裂約300根，未開裂500根，執(zhí)行工藝為：鍛后電爐850～870℃正火→630～660℃回火→電爐840～860℃淬火(油淬)→520～560℃回火(空冷)。為查明原因，對(duì)開裂的2根試棒取樣進(jìn)行失效分析。此外，對(duì)未經(jīng)任何處理的原始鋼樣進(jìn)行對(duì)比分析試驗(yàn)。

1　試樣檢測(cè)

1.1　宏觀觀察

該試棒長(zhǎng)度約120 mm、直徑25 mm，表面存在貫穿到兩個(gè)端面的縱向裂紋，且裂紋較為平直，裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)分支現(xiàn)象，見圖1。從試棒端部可以看出，裂紋已經(jīng)到達(dá)其心部。整個(gè)試棒外表面只有一條縱向裂紋，未發(fā)現(xiàn)橫向裂紋。

1.2　金相觀察

在開裂的試棒兩端及心部切取3塊試料制成金相試樣，檢驗(yàn)面為包含裂紋的橫截面。試樣研磨拋光后觀察到裂紋已延伸到心部，見圖2?？梢钥闯?，裂紋寬度由表面到心部逐漸變細(xì)，但未發(fā)現(xiàn)分叉的支裂紋。在顯微鏡下觀察，試樣夾雜物含量很低，最大級(jí)別1級(jí) ，裂紋兩側(cè)及外邊緣部位未發(fā)現(xiàn)夾雜物和其他缺陷存在。

以圖2(c)為例，試樣經(jīng)腐蝕后100倍下觀察，裂紋從表面到心部寬度變化趨勢(shì)更加直觀明顯，即為逐漸變細(xì)的過程。兩側(cè)顯微組織均勻一致，未發(fā)現(xiàn)任何脫碳現(xiàn)象，尤其在裂紋外邊緣無(wú)任何導(dǎo)致應(yīng)力集中的缺陷，見圖3。此外，裂紋內(nèi)部存在較多的塞積物，是試樣研磨拋光過程中混入的研磨物。進(jìn)一步放大觀察，整個(gè)試樣的顯微組織均勻一致，心部與表面無(wú)明顯的區(qū)別，其組織形態(tài)為回火索氏體，它是淬火馬氏體高溫回火產(chǎn)物，見圖4?？梢钥闯?，整個(gè)試樣已被淬透。另一開裂鋼棒經(jīng)取樣分析，試驗(yàn)情況與上述基本一致。

1.3　原始鋼樣對(duì)比分析

對(duì)未經(jīng)處理的原始鋼棒取樣分析，選取檢驗(yàn)面橫向、縱向試樣各1個(gè)，均未發(fā)現(xiàn)裂紋和其它明顯的缺陷。試樣腐蝕后觀察，橫向試樣為等軸狀的珠光體+鐵素體，晶粒度7.5級(jí)，見圖5(a)?？v向試樣顯微組織與橫向的一致，但鐵素體呈帶狀，這是軋制或者鍛造的結(jié)果，屬于正?，F(xiàn)象，見圖5(b)。

圖1　開裂試棒宏觀形貌

(a)試棒端部 (b)試棒心部 (c)試棒端部

(a)裂紋外邊緣 (b)裂紋中部 (c)裂紋最里端

(a)試樣邊緣 (b)試樣心部

(a)橫截面 (b)縱截面

2　分析討論

宏觀檢驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋未貫穿整個(gè)試樣，到達(dá)其心部后釋放了大量的殘余應(yīng)力。從裂紋寬度由表面到心部逐漸變細(xì)得出，裂紋起始于試棒外邊緣，呈連續(xù)曲折狀到達(dá)心部?？梢钥闯?，試棒發(fā)生開裂必然受到較大的切向應(yīng)力作用，而且這種應(yīng)力已經(jīng)超過了材料的斷裂強(qiáng)度。

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，試樣中未發(fā)現(xiàn)明顯的導(dǎo)致試樣開裂的缺陷。從裂紋兩側(cè)未出現(xiàn)任何脫碳現(xiàn)象分析，試棒在鍛造和正回火熱處理過程中未形成裂紋。這是由于如果形成裂紋，在高溫環(huán)境下，沿裂紋兩側(cè)必然會(huì)發(fā)生一定程度的脫碳，因?yàn)橹挥性诟邷丨h(huán)境下才會(huì)發(fā)生脫碳現(xiàn)象。那么，該裂紋必然是在淬火過程中產(chǎn)生的，即使后期經(jīng)過520～560℃回火，也不發(fā)生脫碳現(xiàn)象。淬火裂紋是在零件淬火過程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力作用下形成的。這種裂紋多數(shù)情況下沿工件的縱向形成，因?yàn)榇慊饡r(shí)產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力作用在零件的外表面，一般情況下，組織應(yīng)力的切向應(yīng)力顯著大于軸向應(yīng)力?？v向裂紋首先在零件的外表面上形成，在向縱向擴(kuò)展的同時(shí)，又向截面內(nèi)部擴(kuò)展，是縱裂的形成擴(kuò)展方式。該試棒宏觀特征形貌完全符合產(chǎn)生縱裂的應(yīng)力條件以及裂紋擴(kuò)展方式。

試樣顯微組織為回火索氏體，是淬火馬氏體的回火產(chǎn)物，且心部與表面基本一致，表明試樣已經(jīng)淬透，具備縱裂形成的必要條件。試棒材質(zhì)為40Cr，淬透性較強(qiáng)，采用油淬完全可以淬透。從裂紋兩側(cè)的顯微組織連續(xù)性較好分析，裂紋必然形成于馬氏體轉(zhuǎn)變過程中，該過程產(chǎn)生大量的組織應(yīng)力，更加印證了該裂紋形成于試棒淬火熱處理時(shí)的判斷。組織應(yīng)力的產(chǎn)生主要受零件淬火時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性的影響，即快速冷卻條件下零件內(nèi)外部轉(zhuǎn)變相差較大，所以減緩淬火時(shí)零件在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間內(nèi)的冷卻速度至關(guān)重要。

試樣顯微組織較為細(xì)小，排除由于過熱傾向造成的開裂。淬火實(shí)踐證明，細(xì)長(zhǎng)桿狀類零件對(duì)淬火縱裂的形成最為敏感，裂紋往往是單條深裂紋。從該試棒的尺寸以及裂紋情況分析完全符合上述論斷。

對(duì)未經(jīng)處理的原始鋼樣分析，顯微組織均勻細(xì)小，未發(fā)現(xiàn)其他嚴(yán)重的缺陷，表明進(jìn)廠原材料合格。

3　結(jié)論

試棒裂紋性質(zhì)為淬火裂紋，是馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的組織應(yīng)力作用在零件表面形成沿切向的最大拉應(yīng)力超過材料的斷裂強(qiáng)度，最終形成縱向裂紋。

建議采取以下措施防止縱裂：

(1)采用使零件緩慢冷卻的淬火劑并保證零件可以淬透。

(2)零件加熱時(shí)避免過熱，出爐后可適當(dāng)預(yù)冷，淬火后要及時(shí)回火。

(3)設(shè)計(jì)和加工時(shí)應(yīng)盡量避免零件表面出現(xiàn)導(dǎo)致應(yīng)力集中的尖角或缺口。

(4)零件的設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)避開淬裂的危險(xiǎn)直徑，最好避開縱裂形成的尺寸范圍。

(5)加強(qiáng)技術(shù)管理和培訓(xùn)，切實(shí)對(duì)有關(guān)工藝操作人員進(jìn)行淬裂理論教育，尤其在工藝操作層面要嚴(yán)格控制，避免盲目操作。

參考文獻(xiàn)

[1]孫盛玉，戴亞康. 熱處理裂紋分析圖譜. 遼寧: 大連出版社,1990.

[2]大型鑄鍛件行業(yè)協(xié)會(huì). 大型鑄鍛件缺陷分析圖譜. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

編輯杜青泉

關(guān)鍵詞：40Cr；圓鋼；縱裂；失效分析

Longitudinal Cracks Failure Analysis of Round Steel

Shen Si, Zhang Ruifeng

Abstract：Longitudinal cracks have been occurred to a batch of 40Cr round steel after tempering and quenching heat treatment. Formation cause of longitudinal cracks has been found out by adopting macro and micro metallographic analyses and further mesures have been put forward to prevent from longitudinal cracks.

Key words：40Cr; round steel; longitudinal cracks; failure analysis

收稿日期：2015—04—14

中圖分類號(hào)：TG115.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B