S34MnV曲拐鍛坯斷裂失效分析

胡婷婷，馮 聰，柏立地，劉莎莎

（1.遼寧福鞍重工股份有限公司 理化檢測中心，遼寧 鞍山 114003；2.遼寧金鋼重型鍛造有限公司 鍛錘分廠，遼寧 鞍山 114225）

海洋運輸是國際物流中最重要的運輸方式，90%以上的進(jìn)出口貨運都是依靠海上運輸［1］。隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國已經(jīng)成為世界上最重要的海運大國之一。進(jìn)入新世紀(jì)，中國海運事業(yè)保持快速增長發(fā)展勢頭，加快海運船舶向大型化、專業(yè)化、國產(chǎn)化方向發(fā)展給船舶制造業(yè)提供了升級機遇。大型組合式傳動曲拐是大型船用柴油機的重要組件，一直以來依靠進(jìn)口。其中大型曲拐鍛件成型是關(guān)鍵技術(shù)之一。為了實現(xiàn)低成本、高質(zhì)量、國產(chǎn)化目標(biāo)，大型曲拐鍛制工藝在模鍛成型［2］、擠壓成型［3］等方面都有新的突破。

某公司與某科研所聯(lián)合承攬了S34MnV大型曲拐鍛件制造項目，在鋼錠冶鑄、鍛造模具設(shè)計制作、鍛造工藝工序、熱處理工藝諸多方面聯(lián)合進(jìn)行了研究試驗，取得了階段性成果。本文針對該項目首件試驗曲拐鍛坯在試驗過程中發(fā)生斷裂的原因展開分析探討，對試驗工藝進(jìn)行改進(jìn)和完善，有利于降低試驗成本、提高工效，對減少和預(yù)防同類機械零件的失效現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生都具有一定指導(dǎo)意義和社會效益。

1 曲拐鍛坯試樣說明

首件曲拐鍛坯是采用LF+VD精煉，VT真空澆注的69 t S34MnV鋼錠，滿足MANB＆W柴油機的各項成分及氫控制含量要求（w(H)≤0.000 2%）；采用科研機構(gòu)與企業(yè)聯(lián)合研制的鍛造模具及工藝。該鍛造工藝采用多次墩粗拔長后，施加拔曲柄-壓槽-彎曲-壓平曲柄臂平整后空冷至60℃；采用正火+消除應(yīng)力回火熱處理工藝處理。

曲拐鍛坯截面尺寸1 700 mm×550 mm。鍛坯空冷后放置約10 d施粗加工時，在曲臂約1/2處，鉆排孔過程中發(fā)生“炸裂”。在斷口處解剖取樣坯（尺寸：1 700 mm×550 mm×200 mm），進(jìn)行綜合檢驗分析。

2 斷口分析

2.1 宏觀斷口分析

圖1a是曲拐鍛坯斷裂位置，在曲臂約1/2處鉆排7個半孔后，曲臂以鉆頭頭部為裂紋源，瞬間擴展斷裂。斷面呈亮灰色結(jié)晶斷口形貌，裂紋源及擴展區(qū)平齊，最后瞬斷區(qū)部分可見撕裂嶺，如圖1b和圖1c所示。整個斷口觀察，裂紋源區(qū)位于近心部，約占整個斷面5%；擴展區(qū)約占75%、瞬斷區(qū)約占20%，具體尺寸范圍詳見圖2。從斷口宏觀形貌觀察判斷，該曲臂為快速脆性斷裂［4］。

2.2 掃描電鏡斷口分析

分別在斷面的裂紋源區(qū)①、擴展區(qū)②和③、瞬斷區(qū)④取斷口殘塊進(jìn)行掃描電鏡微觀斷口觀察，取樣位置見圖2，微觀斷裂形貌如圖3所示。裂紋源區(qū)①、擴展區(qū)②和③的斷口均呈現(xiàn)以解理斷裂為主的脆性斷裂特征［5］，其解理面上可見二次裂紋，表明該區(qū)域鋼的脆性大；瞬斷區(qū)④的斷口呈現(xiàn)以解理+準(zhǔn)解理斷裂為主的脆性斷裂特征［5］。瞬斷區(qū)④出現(xiàn)準(zhǔn)解理斷口特征，這與表面晶粒相對細(xì)化有關(guān)。

圖1 鍛坯斷裂位置及宏觀形貌Fig.1 Fracture position in forge blank

圖2 曲拐鍛坯斷裂宏觀斷口及取樣示意圖，mmFig.2 Schematic graph of micro fracture，mm

2.3 金相檢驗

圖3 曲拐鍛坯微觀斷裂形貌Fig.3 Micro fracture

表1 金相組織評定Tab.1 Estimation of metallographic structure

圖4 曲拐鍛坯金相組織Fig.4 Metallographic

分別在圖2的裂紋源區(qū)①和擴展區(qū)②位置取金相檢驗樣塊，檢驗結(jié)果見表1，金相組織如圖4所示。在裂紋源區(qū)①位置的非金屬夾雜物圖4a中，可見非金屬夾雜物未超標(biāo)［6］；本體、裂紋源區(qū)①以及擴展區(qū)②金相組織均為珠光體+（網(wǎng)、塊狀）鐵素體組成，但晶粒度有較大區(qū)別，本體試片晶粒度雖然不夠均勻，但相對細(xì)小，而裂紋源區(qū)①、擴展區(qū)②晶粒粗大，均大于1級［7］。沿晶分布細(xì)的鐵素體網(wǎng)，具有脆性組織特征。晶粒長大粗化是由于該鋼坯鍛造或正火加熱溫度遠(yuǎn)超出Ac3臨界溫度，并長時間保溫所產(chǎn)生的過熱組織。

2.4 化學(xué)成份分析

本體試片及斷裂曲拐斷口取樣化學(xué)成份分析結(jié)果見表2。與技術(shù)規(guī)定［8］相比，斷口處碳略微超出上限，但依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［9］中允許偏差，碳滿足要求，這是因為大鑄鍛件內(nèi)部存在一定成分偏析，取樣位置不同，結(jié)果會略有偏差。氫含量處于上限，偏高。

表2 本體試片及斷口殘體化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.2 Chemical compositions at substrate and fracture of blank

3 力學(xué)性能檢測

分別在斷裂殘體擴展區(qū)②、瞬斷區(qū)④制取力學(xué)試樣，并與本體試片比較。力學(xué)性能檢測結(jié)果見表3。本體試片綜合性能較好；擴展區(qū)②、瞬斷區(qū)④斷裂強度偏高；而塑、韌性偏低，特別斷面收縮率、沖擊韌性低于規(guī)定范圍［6］。

3.1 熱應(yīng)力的影響

該曲拐鍛坯屬于大鑄鍛件。眾所周知，大鑄鍛件本身內(nèi)部存在成分不均勻；鍛造或熱處理加熱冷卻時如果工藝或操作控制不當(dāng)，容易造成工件內(nèi)外溫差加大。這樣可能會導(dǎo)致過大的熱脹冷縮及組織轉(zhuǎn)變的不同時性，極易在鋼件內(nèi)部產(chǎn)生過大殘余內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致鋼的脆性增加。

金相組織過熱表明，該鍛坯鍛造或熱處理加熱溫度過高或在高溫停留時間過長，冷卻過程中會加大心部內(nèi)應(yīng)力。如果去應(yīng)力回火不充分，有利于解理斷裂。

上述分析表明，微觀源區(qū)、擴展區(qū)斷口解理斷裂與鋼的過熱組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)、化學(xué)成分及工件大小密切相關(guān)［4］，該解理斷裂是危險性很大的脆性斷裂。

表3 本體試片及斷裂殘體力學(xué)性能檢測結(jié)果Tab.3 Chemical compositions at substrate and fracture of second blank

3.2 氫與應(yīng)力集中的影響

鑒于4.1分析，該曲拐鍛坯經(jīng)過粗加工鉆排孔操作，內(nèi)部處于高應(yīng)力狀態(tài)，鉆頭頭部應(yīng)力集中源發(fā)，瞬間擴展“炸裂”的解理斷裂機制分析判斷，工件受到了附加外力作用。鋼中氫略偏高，在內(nèi)部高應(yīng)力狀態(tài)下，改變了氫的均勻分布，氫向高應(yīng)力區(qū)偏聚，使某特定晶面譜線加寬，使鋼脆化；裂紋擴展傳播過程位錯沿某特定晶面滑移，在此過程撲獲的氫阻止滑移，進(jìn)一步加大鋼的脆性［4］。分析認(rèn)為該曲拐鍛坯具有氫加入解理斷裂的可能性。

該曲拐鍛坯殘體強度較高，斷面收縮率及延伸率明顯降低，也具有氫作用對斷面收縮率敏感影響的特點。

3.3 鍛造工藝調(diào)查分析

該曲拐鍛坯最后鍛造工序是彎曲。彎曲工序開始溫度1 220℃，終了溫度830℃。在這期間對曲柄臂進(jìn)行平整，施加很小的變形。這個過程造成組織過熱，形成粗大晶粒，同時造成內(nèi)外溫差和過冷度加大，使曲柄臂內(nèi)部產(chǎn)生了過大的殘余熱應(yīng)力。

第二次試驗曲拐鍛坯，調(diào)整了曲拐鍛坯的鍛造工藝，彎曲-平整-變形階段工藝更加完善，更具可操作性；強化了消除應(yīng)力熱處理工藝。保證了第二次試驗的S34MnV曲拐鍛坯的產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過檢驗與綜合分析認(rèn)為，該曲拐鍛坯由于鍛造或熱處理工藝不合理，造成組織過熱，晶粒粗大，使內(nèi)部殘余過高熱應(yīng)力，增加了鋼的脆性；同時氫略偏高，在放置和加工過程中由于內(nèi)應(yīng)力加上外力共同作用改變了氫的均勻分布，使鋼進(jìn)一步脆化。該曲拐鍛坯在鉆頭頭部應(yīng)力集中處發(fā)生了具有氫參與的解理脆斷。

［1］中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng).中國海運行業(yè)發(fā)展監(jiān)測分析與發(fā)展趨勢預(yù)測報告（2016-2020）［R］.報告編號：1953052

［2］陳海洲.大型船用曲軸曲拐彎曲鍛造模具及預(yù)成形毛坯的設(shè)計方法［J］.科技與創(chuàng)新，2016（4）：116

［3］徐凱.6S60MC-C大型船用曲拐擠壓成形工藝研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2014.

［4］周順深.鋼脆性和工程結(jié)構(gòu)鋼脆性斷裂［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1983：220-240.

［5］冶金工業(yè)部鋼鐵研究院.合金鋼斷口分析金相圖譜［M］.北京：科學(xué)出版社，1979：40-41.

［6］GB/T10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定-標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法［S］.

［7］GB/T6394-2002 金屬平均晶粒度測定方法［S］.

［8］MANB＆W柴油機A/S.鍛鋼［S］.1986：182.

［9］GB/T222-2006 鋼的成品化學(xué)成分允許偏差［S］.