ASTM 4145H鋼裂紋分析

彭努淵 許婷婷 李永亮

(中原特鋼股份有限公司，河南 454685)

我公司有一支?127 mm 加桿，在中頻調(diào)質(zhì)處理后，發(fā)生開(kāi)裂。現(xiàn)場(chǎng)觀察裂紋從冒口端劈裂至三分之一長(zhǎng)度處，其間伴隨多條縱裂紋至三分之二長(zhǎng)度處;且在靠近冒口端的一側(cè)發(fā)現(xiàn)有“網(wǎng)狀”裂紋存在。宏觀形貌如圖1、圖2 所示。

1 化學(xué)成分分析

在開(kāi)裂件上取樣，利用ARL3460 直讀光譜儀和ELTRACS800 型紅外碳硫儀對(duì)所取試塊進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1 的分析結(jié)果可知此工件的化學(xué)成分符合技術(shù)條件要求，各類痕量元素含量均較低。

2 低倍檢測(cè)

圖1 炸裂形貌Figure 1 Rupture appearance

圖2 網(wǎng)狀裂紋Figure 2 Net shape crack

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Analyzed results of chemical composition(mass fraction，%)

圖3 酸蝕后宏觀組織Figure 3 Macrostructure after acid corrosion

在網(wǎng)狀裂紋處切取低倍試片，用1∶1 的熱鹽酸水溶液侵蝕后觀察，除侵蝕前肉眼可見(jiàn)的裂紋外無(wú)其它明顯缺陷。按照GB/T1979—2001 評(píng)定低倍組織:一般疏松1.0 級(jí)，無(wú)明顯錠型偏析，如圖3 所示。

3 金相分析

分別在嚴(yán)重開(kāi)裂處、網(wǎng)狀裂紋處和完好處取樣進(jìn)行分析。將所取試樣磨制拋光后觀察，裂紋附近無(wú)明顯夾雜物存在且無(wú)氧化現(xiàn)象，非金屬夾雜物分布較正常，未見(jiàn)聚集現(xiàn)象。按照GB/T10561—2005 進(jìn)行非金屬夾雜物的評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 非金屬夾雜物級(jí)別Table 2 Nonmetallic inclusions grades

試樣經(jīng)Nital 試劑腐蝕后觀察，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂處所取試樣靠近外壁處的組織為正常的回火索氏體，向內(nèi)有較多的馬氏體+殘余奧氏體出現(xiàn)，如圖4 所示。正常處所取試樣的組織為回火索氏體，如圖5 所示。網(wǎng)狀裂紋處所取試樣的金相組織除正常的回火索氏體外還有部分托氏體組織，如圖6 所示。試樣腐蝕后觀察晶粒度為7.5 級(jí)，如圖7所示。

圖4 馬氏體+殘余奧氏體Figure 4 Martensite+residual austenite

圖5 回火索氏體Figure 5 Tempered sorbite

圖6 回火索氏體+托氏體Figure 6 Tempered sorbite+troostite

圖7 晶粒度Figure 7 Grain size

4 分析討論

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，該工件化學(xué)成分符合技術(shù)條件要求，且各類痕量元素含量較低，低倍組織除侵蝕前肉眼可見(jiàn)的裂紋外無(wú)其它明顯缺陷，非金屬夾雜物正常，晶粒度為7.5 級(jí)，說(shuō)明加熱溫度正常，無(wú)過(guò)熱特征。

從金相組織分析可知，嚴(yán)重開(kāi)裂處除正常的回火索氏體組織外，還有馬氏體+殘余奧氏體出現(xiàn)，可見(jiàn)開(kāi)裂原因是由于奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)體積膨脹而引起的。對(duì)于一般的合金結(jié)構(gòu)鋼，按照正常的熱處理工藝，此時(shí)奧氏體向馬氏體的組織轉(zhuǎn)變已經(jīng)完成，不應(yīng)存在馬氏體組織，可見(jiàn)這些馬氏體應(yīng)是在回火過(guò)程中或回火后形成的。

據(jù)資料介紹鋼在奧氏體化的冷卻過(guò)程中，如在馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上或以下某一溫度停留，待繼續(xù)冷卻時(shí)，過(guò)冷奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，即引起馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變或繼續(xù)轉(zhuǎn)變的溫度降低，或者使殘余奧氏體量增多，即奧氏體的穩(wěn)定化現(xiàn)象。奧氏體的穩(wěn)定化分為熱穩(wěn)定化和機(jī)械穩(wěn)定化。熱穩(wěn)定化是指鋼在冷卻過(guò)程中由于冷卻緩慢或中途停留而引起奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)遲滯的現(xiàn)象。

通過(guò)了解生產(chǎn)實(shí)際情況證實(shí)，淬火冷卻裝置在該工件冷卻過(guò)程中曾出現(xiàn)冷卻水噴水不暢的現(xiàn)象，另外在工件的金相組織中發(fā)現(xiàn)的托氏體組織同樣證明存在淬火冷卻速度慢的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

該工件開(kāi)裂原因是由于在淬火冷卻過(guò)程中形成了奧氏體熱穩(wěn)定化現(xiàn)象，導(dǎo)致奧氏體轉(zhuǎn)變停止被保留下來(lái)，在隨后熱處理工序中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織應(yīng)力以及熱應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限而形成。