35CrMoA圓鋼棒縱裂原因分析

劉 賀 馬 雷 周 巍

(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)

一批直徑約為20 mm(原材料牌號(hào)為35CrMoA)圓鋼棒經(jīng)熱處理工序后，發(fā)現(xiàn)其中10支鋼棒因毛坯表面有縱向裂紋而報(bào)廢。為查找斷裂原因，對(duì)開(kāi)裂圓鋼棒取樣進(jìn)行檢測(cè)分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 廢品件實(shí)物及宏觀斷口觀察

觀察10支有表面縱向裂紋缺陷的圓鋼棒，其表面裂紋均較平直，并幾乎貫穿鋼棒，兩側(cè)無(wú)分支，見(jiàn)圖1(a)。從圓鋼棒端面看，裂紋在沿縱向擴(kuò)展的同時(shí)，又以垂直表面的方向直線向內(nèi)擴(kuò)展到接近圓心，見(jiàn)圖1(b)。經(jīng)測(cè)量，圓鋼棒長(zhǎng)度約為150 mm，直徑約為20 mm；為方便檢測(cè)，將開(kāi)裂試棒依次標(biāo)號(hào)為B1、B2、B3…B10。

將圓鋼棒橫向鋸切數(shù)片，然后沿裂紋剖開(kāi)，觀察裂紋面的宏觀斷口形態(tài)，發(fā)現(xiàn)其裂紋面上已有較厚的高溫氧化層，有的區(qū)域氧化層已脫落掉。表明該圓棒的裂紋面形成后經(jīng)歷了高溫?zé)崽幚磉^(guò)程。

1.2 化學(xué)成分分析及力學(xué)性能試驗(yàn)

在圓鋼原材料上取樣分別進(jìn)行化學(xué)成分分析及力學(xué)性能試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

從表1和表2中可以看出，本次抽檢圓鋼原材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能指標(biāo)均滿足35CrMoA鋼的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 開(kāi)裂試棒化學(xué)成分光譜分析

將10根開(kāi)裂試棒進(jìn)行化學(xué)成分光譜分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，10根試棒中元素Mo含量均少于0.02%，不滿足GBT 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)35CrMoA鋼中Mo元素含量的要求，反而滿足GBT 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)40Cr鋼中Mo元素含量的要求。

(a)圓鋼棒表面(b)圓鋼棒橫截面

圖1 圓鋼棒縱向裂紋形貌Figure 1 Longitudinal crack morphology of round steel bar

表2 圓鋼原材料力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Mechanical properties test results of round steel raw materials

1.4 微觀斷口觀察

將裂紋面斷口樣放在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)：其裂紋面上已有厚厚的高溫氧化層，有的區(qū)域氧化層已脫落掉，并已將原裂紋面形貌細(xì)節(jié)覆蓋，見(jiàn)圖2。驗(yàn)證了宏觀斷口觀察結(jié)果，即該圓棒的裂紋面形成后經(jīng)歷了高溫?zé)崽幚怼?/p>

表3 化學(xué)成分光譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Spectral analysis of chemical composition (mass fraction，%)

(a)9×(b)600×

圖2 裂紋面斷口樣掃描電鏡形貌Figure 2 Morphology of facture polished sample of crack surface by SEM

圖3 裂紋面斷口拋光樣浸蝕前形貌
Figure 3 Morphology of facture polished sample of crack surface before etching

圖4 裂紋面斷口拋光樣浸蝕后組織形貌(500×)
Figure 4 Microstructure of facture sample of crack surface after etching(500×)

1.5 金相檢測(cè)

在上述開(kāi)裂圓棒上依次取樣進(jìn)行金相檢測(cè)與分析，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行樣品浸蝕前的拋光面觀察，發(fā)現(xiàn)在裂紋中有高溫氧化產(chǎn)物，見(jiàn)圖3。對(duì)樣品浸蝕后觀察，結(jié)果在裂紋兩側(cè)均發(fā)現(xiàn)有明顯的脫碳現(xiàn)象[1]，見(jiàn)圖4，進(jìn)一步觀察圓棒的基體組織均為回火索氏體+少量貝氏體回火組織，見(jiàn)圖5，表明開(kāi)裂圓棒已經(jīng)歷了調(diào)質(zhì)熱處理工序。

2 討論與分析

綜合上述檢測(cè)分析結(jié)果后認(rèn)為，首先確認(rèn)開(kāi)裂圓鋼棒材料與標(biāo)注的牌號(hào)不符；該批圓鋼棒件表面縱向裂紋缺陷的性質(zhì)為應(yīng)力裂紋，產(chǎn)生在調(diào)質(zhì)熱處理工序前。

化學(xué)成分分析結(jié)果表明，本次開(kāi)裂的10根試棒實(shí)際材料牌號(hào)應(yīng)為40Cr，與抽檢的圓鋼原材料35CrMoA明顯不符。

圓鋼棒表面上的縱向裂紋均較平直[2]，并貫穿鋼棒，從圓鋼棒端面看：裂紋在沿縱向擴(kuò)展的同時(shí)，又以垂直表面的方向直線向內(nèi)擴(kuò)展到接近圓心，符合應(yīng)力裂紋形態(tài)特征，其缺陷性質(zhì)應(yīng)屬于應(yīng)力裂紋，其裂紋源應(yīng)產(chǎn)生在圓鋼棒件表面。

觀察裂紋面的宏觀斷口形態(tài)，發(fā)現(xiàn)其裂紋面上已有較厚的高溫氧化層，有的區(qū)域氧化層已脫落掉，表明該圓棒的裂紋面形成后經(jīng)歷了高溫?zé)崽幚磉^(guò)程，掃描電鏡觀察證實(shí)了這一點(diǎn)。

金相檢測(cè)分析表明，其裂紋兩側(cè)均發(fā)現(xiàn)有明顯的脫碳現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了斷口掃描電鏡觀察結(jié)果，即該圓棒的裂紋形成后經(jīng)歷了高溫?zé)崽幚磉^(guò)程。該圓棒的基體組織均為回火索氏體+少量貝氏體回火組織[3]，表明該圓棒的熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)熱處理態(tài)。

3 模擬實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證開(kāi)裂試棒是否經(jīng)歷了淬火熱處理工序，對(duì)此進(jìn)行了模擬熱處理實(shí)驗(yàn)。取兩個(gè)圓棒采用鉬絲切割，從外表面到心部切割出一條縫隙(預(yù)置裂紋)，將切割后試樣進(jìn)行模擬熱處理實(shí)驗(yàn)。經(jīng)860℃保溫2 h處理的試樣存在明顯脫碳，

見(jiàn)圖6(a)，經(jīng)550℃保溫4 h處理的試樣未發(fā)生脫碳，見(jiàn)圖6(b)。

(a)860℃×2 h(b)550℃×4 h

圖6 模擬熱處理后裂紋兩側(cè)形貌(50×)
Figure 6 Morphology on both sides of the crack after simulated heat treatment(50×)

模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋只有經(jīng)歷了高溫?zé)崽幚?，即淬火熱處理工序，裂紋兩側(cè)才有脫碳現(xiàn)象；裂紋經(jīng)歷回火熱處理工序，裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳現(xiàn)象。此實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了金相檢測(cè)結(jié)果。

3 結(jié)論

(1)圓鋼棒表面縱向裂紋缺陷的性質(zhì)為應(yīng)力裂紋，產(chǎn)生在調(diào)質(zhì)熱處理工序前，其裂紋源產(chǎn)生在圓鋼表面。

(2)開(kāi)裂的10支圓鋼棒件的化學(xué)成分值不滿足35CrMoA鋼的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，反而滿足40Cr鋼的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，使用材料錯(cuò)誤。