40CrNiMo小軸熱處理后開裂失效分析

張海盟，廖庚峰，傅 僑

（中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024）

0 引 言

40CrNiMo鋼是一種優(yōu)質(zhì)合金鋼，具有較高強(qiáng)度與韌性、良好淬透性以及抗過熱的穩(wěn)定性，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下，適于制造強(qiáng)度高、界面大的重要件。

40CrNiMo小軸（圖1）直徑為φ38.4，小軸熱處理采用IPSEN多用途氣氛保護(hù)爐，工藝方法：870℃× 55min正火、870℃×55min淬火（油冷）、500℃×100min回火，熱處理后機(jī)械性能σb≥1170MPa。40CrNiMo小軸熱處理后進(jìn)行車削加工時，發(fā)現(xiàn)有部分零件端頭出現(xiàn)中心裂紋（如圖2）。針對此零件裂紋，通過對其化學(xué)成分、硬度、顯微組織及斷口形貌的檢測和分析，確定了失效原因，并提出了改進(jìn)建議。

1 檢 測

1.1 化學(xué)成分分析和硬度測試

圖1 40CrNiMo小軸

在小軸端頭取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果見表1，各項(xiàng)化學(xué)成分偏上限，特別是有害元素硫偏高，已經(jīng)不符合GB/T 3077《合金結(jié)構(gòu)鋼》的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。對小軸零件重新檢測硬度，外圓部位HRC38-40，中心部位HRC37-41，符合客戶要求的σb≥1170Mpa.

圖2 零件端頭的中心裂紋

1.2 宏觀斷口

在中心開裂的小軸端頭橫向取樣，經(jīng)磨平、砂光、拋光后觀察裂紋的宏觀形貌（圖3）；裂紋出現(xiàn)在小軸中心部位，縱向貫穿；裂紋分兩部分，中心裂紋裂開1mm左右寬，在中心裂紋兩端有較細(xì)的二次裂紋，裂紋成齒狀，相互嚙合。

剖開裂紋，宏觀觀察斷口形貌（圖4）；斷口呈腐爛木頭狀沿縱向斷開，現(xiàn)木紋結(jié)構(gòu)，此為典型層狀斷口；在斷口的中心表面有黑色氧化物，斷口兩側(cè)出現(xiàn)灰色無光澤氧化表面。

表1 40CrNiMo小軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖3 裂紋形貌

圖4 斷口形貌

1.3 金相檢測

在裂紋附近切取金相試樣，經(jīng)磨平、砂光、拋光工序，4%硝酸酒精腐蝕10s左右，6XCP型金相顯微鏡觀察，裂紋兩端無明顯脫碳層（圖5），裂紋邊緣有臺階狀；試樣的金相組織為回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體，局部地方存在S化物夾雜（圖6），且存在組織不均勻現(xiàn)象（圖7）；正常40CrNiMo調(diào)質(zhì)組織應(yīng)為回火索氏體。

圖5 裂紋附近的顯微組織 （250X）

1.4 原材料檢查（低倍組織、金相檢查、硬度測試）

取未經(jīng)最終熱處理的原材料（熱軋、退火）切取試樣，經(jīng)磨平、砂光、拋光工序，4%硝酸酒精腐蝕10S左右；宏觀觀察腐蝕后的試樣(圖8)，試樣中心出現(xiàn)明顯的偏析帶，約12mm寬，難于腐蝕，中心與邊緣之間的腐蝕面也可見一絲絲帶狀偏析。

圖6 顯微組織（500X）

圖7 顯微組織（500X）

圖8 原材料低倍檢測試樣

用6XCP型金相顯微鏡觀察試樣金相組織，100X觀察試樣表層，金相組織為帶狀分布的鐵素體+珠光體（圖9），晶粒以變形晶粒為主，非等軸晶粒，按GB/T 13299-91《鋼的顯微組織評定方法》，帶狀組織為C系列，已經(jīng)達(dá)到5級；在1000X下放大觀察，鐵素體晶粒明顯隨熱加工方向延長，珠光體可見層狀的鐵素體和滲碳體，同時還存在顆粒狀碳化物（圖10）。用硬度計(jì)對其檢測，硬度值HRB91，滿足HB 5269-83《航空用高級優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼鋼棒》中退火態(tài)的機(jī)械性能HB≤269Kg/mm2的要求。

圖9 表層帶狀組織100X

用250X觀察中心偏析帶組織（圖11），大小不一的鐵素體晶粒上彌散分布許多碳化物，晶界清晰，存在混晶現(xiàn)象，應(yīng)為鑄造組織；500X觀察次外層偏析帶出現(xiàn)粒狀貝氏體組織（圖12），粒狀貝氏體特征是大塊狀鐵素體內(nèi)分布眾多顆粒狀富碳奧氏體，富碳奧氏體可分解為鐵素體和滲碳體的混合物；用500X、1000X觀察試樣中心（圖13、圖14），鐵素體晶粒內(nèi)彌散分布許多碳化物，且許多碳化物在晶界中析出成網(wǎng)狀分布。用硬度計(jì)對其測試，多數(shù)部位為HRC20-25，部分硬度HRC31，硬度測試值和金相組織能相互對應(yīng)。

圖11 偏析帶顯微組織250X

2 分析與討論

1）原材料化學(xué)成分超出GB 3077中40CrNiMo的標(biāo)準(zhǔn)要求。主要合金元素C、Cr、Ni、Mo百分含量在合格范圍內(nèi)，但偏上限；合金元素偏高將對熱處理溫度和保溫時間有一定影響，但影響不大。原材料中S含量超過標(biāo)準(zhǔn)十倍之多，S為有害元素，是煉鋼時的原材料雜質(zhì)，若澆鑄時去除不干凈，S會在澆鑄冷卻時提前結(jié)晶，容易影響鋼水流動性，造成鋼材成分偏析，在熱加工過程中引起熱脆性。

2）試樣的層狀斷口形貌可以佐證原材料存在偏析；層狀使鋼的力學(xué)性能下降，特別是橫向力學(xué)性能；造成層狀主要原因是鋼錠結(jié)晶過程中夾雜物在晶界上沉淀，在熱加工時沉積在晶界上的夾雜物沿加工方向伸長，使晶界變脆弱。

圖12 次外層偏析帶的粒狀貝氏體500X

圖13 中心顯微組織500X

圖14 中心顯微組織1000X

3）裂紋周圍無脫碳、無增碳表明裂紋出現(xiàn)在最終熱處理環(huán)節(jié)，斷口表面的氧化色應(yīng)為回火過程中造成；裂紋周圍組織為回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體，同時存在組織不均勻現(xiàn)象，鋼中存在的硫化物夾雜將影響鋼材的力學(xué)性能，容易形成裂紋源。

4）原材料低倍組織及金相檢測表明，原材料帶狀偏析嚴(yán)重；造成帶狀偏析原因?yàn)殍T造凝固時，各部分存在化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象，存在偏析的鑄坯在隨后的熱扎過程中，被擠壓成帶狀；消除帶狀組織的方法一般有擴(kuò)散退火和正火，但對于偏析嚴(yán)重的組織將無法消除偏析，可以使用鍛造方法使晶粒和組織細(xì)化，改善材料使用性能。

5）原材料中心網(wǎng)狀碳化物是因?yàn)椴牧匣瘜W(xué)成分偏析嚴(yán)重，在熱扎時冷卻過程中碳化物沿晶粒邊界析出；熱軋時，材料中心受到的擠壓力較小，網(wǎng)狀碳化物沒有被擊碎，而只是整個晶粒沿?zé)彳埛较蜃冃?。晶界上網(wǎng)狀分布碳化物將降低晶粒結(jié)合力，當(dāng)應(yīng)力作用在晶界上容易形成裂紋。

6）通過鋼材化學(xué)成分中S含量超標(biāo)、低倍組織偏析嚴(yán)重、鋼材中心網(wǎng)狀碳化物分布等情況，鋼的原材料應(yīng)為煉鋼時的料頭部分，料頭部分原材料成分偏析嚴(yán)重，理應(yīng)切除重新回爐，但此批鋼材料頭切取太少，熱軋時造成帶狀偏析。

3 結(jié) 論

1）引起40CrNiMo小軸中心裂紋的主要原因是，鋼材質(zhì)量差，鑄鋼料頭切除太少，造成熱軋時形成帶狀組織，特別是中心網(wǎng)狀碳化物造成零件熱處理時開裂。

2）避免此類裂紋的方法是，強(qiáng)化鋼材質(zhì)量，煉鋼時加強(qiáng)脫硫環(huán)節(jié)，澆鑄后鋼材應(yīng)多切除些料頭；鋼材中輕微的成分偏析可以通過擴(kuò)散退回加以消除，而料頭只能回爐處理。

[1]航空材料手冊.中國航空材料手冊編輯委員會.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1988，9.

[2]北京農(nóng)業(yè)機(jī)械化學(xué)院主編.金屬工藝學(xué).北京：農(nóng)業(yè)出版社,1980，7.

[3]中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理專業(yè)學(xué)會會編.熱處理手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008，1.