45鋼是一種優(yōu)質(zhì)碳素鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后該鋼具有較高的強度,是機械制造行業(yè)常用的材料[1-3]。某公司將厚度為60 mm的45鋼熱軋鋼板加工成內(nèi)徑為900 mm、外徑為1 040 mm的鋼環(huán)。在840 ℃下對該零件保溫2 h,水淬后鋼環(huán)沿直徑方向斷裂為兩段,零件小段中心位置沿環(huán)向均勻斷裂為兩部分。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了鋼環(huán)斷裂的原因,以防止該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀形貌

鋼環(huán)沿軸向斷裂為兩部分,其中一小段部分沿環(huán)向中心又斷裂為兩層環(huán)形斷口,小段部分外圓弧長為485 mm,約占外圓總周長的1/6,鋼環(huán)和斷口的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：整體斷面呈現(xiàn)金屬光澤,心部斷面粗糙；斷面存在從心部向四周發(fā)散的放射狀條紋,說明裂紋起源于零件心部。距離鋼環(huán)外表面約5 mm厚的區(qū)域呈現(xiàn)細瓷狀,該區(qū)域為終斷區(qū)。 

圖  1  鋼環(huán)和斷口的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在斷裂的鋼環(huán)上截取試樣,采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對試樣進行化學成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：鋼環(huán)原材料的化學成分符合GB/T 711—2017《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋鋼板和鋼帶》對45鋼的要求。 

1.3   掃描電鏡(SEM)與能譜分析

采用掃描電子顯微鏡對鋼環(huán)軸向和環(huán)向斷面進行觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：軸向斷口心部裂紋源區(qū)斷面上可見明顯的河流花樣,其為解理斷裂典型形貌[見圖2a）]；斷口外表面5 mm厚的細瓷區(qū)呈沿晶斷裂形貌[見圖2b）]；環(huán)向斷口存在大量非金屬夾雜物[見圖2c）]。采用能譜儀對夾雜物進行能譜分析,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,非金屬夾雜物成分主要為S元素和Mn元素,說明該夾雜物為硫化錳。 

圖  2  鋼環(huán)軸向和環(huán)向斷面試樣的SEM形貌

圖  3  非金屬夾雜物能譜分析結(jié)果

1.4   金相檢驗

在斷裂的鋼環(huán)上截取試樣,將試樣打磨、拋光后,采用5%（體積分數(shù)）的硝酸水溶液腐蝕試樣,將試樣置于光學顯微鏡上觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：腐蝕后試樣的顯微組織呈現(xiàn)明顯差別,外表面為馬氏體,心部為鐵素體+珠光體,可知外表面有深度約為5 mm的淬透層,這與斷口宏觀形貌一致；鋼環(huán)縱向截面存在A類夾雜物（硫化物）。根據(jù)GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》進行非金屬夾雜物評級,A類夾雜物評級為2級（見表2）,該結(jié)果與斷口上發(fā)現(xiàn)的大量硫化錳夾雜一致。 

圖  4  鋼環(huán)顯微組織形貌

1.5   洛氏硬度測試

采用洛氏硬度計對淬火后鋼環(huán)外表面和心部進行洛氏硬度測試,結(jié)果如表3所示。由表3可知：鋼環(huán)外表面硬度平均值為56 HRC,符合該熱處理工藝后的硬度水平[4],心部硬度平均值為30 HRC,可知零件表層硬度明顯大于心部硬度,說明鋼環(huán)存在心部未淬透現(xiàn)象,與顯微組織一致。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知：斷裂鋼環(huán)的化學成分符合GB/T 711—2017要求。裂紋從心部起始,向四周發(fā)散擴展,源區(qū)斷面呈典型的解理斷裂特征,外部斷面呈沿晶斷裂特征,鋼環(huán)的斷裂性質(zhì)屬于淬火斷裂。 

淬火過程會引起鋼環(huán)應力分布急劇變化,經(jīng)過加熱、保溫和冷卻3個過程,鋼環(huán)會發(fā)生熱脹冷縮體積變化和金屬相變,由熱脹冷縮引起的內(nèi)應力為熱應力,由金屬相變產(chǎn)生的內(nèi)應力為組織應力[5-7]。由于材料表面及中心溫度的變化不同步,因此當材料表面及中心出現(xiàn)熱處理殘余拉應力,且其超過材料的抗拉強度時,材料將會斷裂,形成淬火裂紋[8]。 

鋼環(huán)在淬火過程中,其表面和心部的冷卻速率不同,在冷卻初期,表面冷卻速率快,材料發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,在淬透區(qū)形成馬氏體。鋼環(huán)心部溫度較高,冷卻速率較慢,心部發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變,形成鐵素體+珠光體。45鋼的淬透性差,鋼環(huán)存在明顯的淬透層與未淬透層的分界線,淬透深度只有5 mm,組織為硬度較高的馬氏體,心部為硬度偏低的鐵素體+珠光體,組織的差異為鋼環(huán)提供了組織應力,導致熱處理時淬火斷裂傾向增大。鋼環(huán)的尺寸較大,使用傳統(tǒng)840 ℃水淬的熱處理工藝必然使鋼環(huán)產(chǎn)生巨大熱應力,淬火冷卻后期,待鋼環(huán)心部冷卻、體積收縮,此時熱應力大于組織應力,鋼環(huán)表面受壓應力、心部受拉應力,且心部沿著零件環(huán)向分布大量的MnS夾雜物,在夾雜物與基體交界處產(chǎn)生應力集中,嚴重割裂基體的連續(xù)性,為微裂紋的萌生提供了條件[9-10],對心部斷裂起到促進作用。當心部拉應力超過其斷裂強度時,零件便會從心部開始斷裂,甚至出現(xiàn)環(huán)向斷裂觀象。 

3.   結(jié)論

（1） 該鋼環(huán)斷裂性質(zhì)為熱處理過程中形成的淬火斷裂。 

（2） 較高的加熱溫度和水冷形成的淬火應力是鋼環(huán)斷裂的主要原因。 

（3） 零件原材料存在沿環(huán)向分布的MnS夾雜物,嚴重割裂了基體的連續(xù)性,對心部斷裂起到促進作用。

文章來源——材料與測試網(wǎng)