45鋼外套螺母表面裂紋分析

王浩宇，何 軍，王大為，李國慶，路 寒

(航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都610091)

45鋼外套螺母表面裂紋分析

王浩宇，何 軍，王大為，李國慶，路 寒

(航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都610091)

45鋼外套螺母裝配時發(fā)現(xiàn)表面存在筆直的縱向裂紋。經(jīng)后續(xù)排查，同批交付的1 069件螺母中有116件存在相似的表面缺陷。通過對外套螺母進(jìn)行裂紋和斷口的宏微觀觀察、能譜成分分析以及金相組織檢查，并結(jié)合生產(chǎn)工藝檢查的結(jié)果，最終確定了外套螺母的開裂原因。結(jié)果表明：外套螺母開裂的主要原因是原材料表面存在折疊缺陷，熱處理淬火時在淬火應(yīng)力的作用下，裂紋由折疊缺陷起始并向厚度方向擴(kuò)展；建議增加無損檢測工序并嚴(yán)格工藝紀(jì)律管理，對此類故障進(jìn)行避免和防范。

45鋼；外套螺母；折疊；熱處理； 脫碳

0 引言

45鋼是一種優(yōu)質(zhì)碳素鋼，是工業(yè)生產(chǎn)中常用的材料，小部件常用于模板、銷子、鍵、導(dǎo)柱等，大部件常用于主軸，涉及交通運輸、機械制造、國防工業(yè)等重要行業(yè)[1]。由于使用工況的復(fù)雜性和差異性，45鋼零件在實際應(yīng)用中的失效模式也呈現(xiàn)多樣性特點。目前，國內(nèi)對45鋼零件的失效分析研究主要涉及淬火開裂、過載開裂以及疲勞開裂等方面[2-5]，這些失效問題通常由工藝缺陷、裝配或使用不當(dāng)?shù)葐栴}導(dǎo)致。與此相比，原材料缺陷所帶來的失效問題往往影響范圍更廣、經(jīng)濟(jì)損失更大，并且容易成為原發(fā)性問題在零件的制造、裝配和使用等環(huán)節(jié)進(jìn)行遺傳和迭代，進(jìn)而在其他誘因的作用下以更為嚴(yán)重的失效形式進(jìn)行爆發(fā)。因此，關(guān)注45鋼的原材料缺陷、研究其與制造工藝缺陷的耦合作用具有重要的現(xiàn)實意義。

材料為45鋼的外套螺母在裝配時，發(fā)現(xiàn)表面存在筆直的縱向裂紋。經(jīng)后續(xù)排查，同批交付的1 069件螺母有116件存在與失效零件相同的表面缺陷。該外套螺母的加工工藝流程如下：下料→熱處理→噴砂→數(shù)控車→鉆削→制標(biāo)→電鍍(Zn)→總檢→包裝入庫。

首先對裂紋的宏觀形貌進(jìn)行觀察，并將裂紋打開獲取斷口進(jìn)行微觀形貌和能譜分析，同時檢查裂紋橫截面的金相組織，綜合分析上述試驗結(jié)果對裂紋產(chǎn)生的環(huán)節(jié)進(jìn)行判定。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步對同批次螺母進(jìn)行質(zhì)量復(fù)查和生產(chǎn)工藝檢查，最終對裂紋的形成原因進(jìn)行分析與討論。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

失效零件為組合導(dǎo)管的外套螺母，表面可見筆直的縱向裂紋，其宏觀形貌如圖1所示。裂紋長度約為13 mm，呈縱向筆直分布，未見彎曲、分叉的現(xiàn)象。將外套螺母縱向剖開后發(fā)現(xiàn)，該裂紋已沿螺母的厚度方向裂透。

圖1 外套螺母的表面裂紋形貌Fig.1 Surface crack appearance of cap nut

1.2 微觀分析

將裂紋打開獲取的斷口如圖2所示，斷面平整而無斷裂形貌，顏色為深黑色。將斷口用丙酮+超聲波清洗后放入掃描電鏡中觀察，斷口表面除一層薄膜狀的附著物外，未見其他斷裂形貌特征[6](圖3)。對該附著物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明除基體元素Fe以外，還含有大量的Zn元素，以及一定量的Al、O元素；對獲取斷口時的切割面進(jìn)行能譜分析，均為基體元素Fe，如表1所示。

圖2 裂紋打開所得斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic appearance of fracture surface

表1 能譜成分分析結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Results of chemical composition analysis (mass fraction /%)

圖3 斷口表面附著物的微觀形貌Fig.3 Microscopic appearance of attachments on fracture surface

1.3 夾雜物和顯微組織分析

從斷裂的外套螺母上切取縱向試樣，根據(jù)GB/T 10561—2005/ ISO 4967:1998(E)的A法進(jìn)行夾雜物檢查，采用ISO評級圖評定。夾雜物評級結(jié)果為D0.5，滿足材料標(biāo)準(zhǔn)的驗收要求。沿垂直于斷口的橫截面磨制金相試樣，經(jīng)拋光、腐蝕后觀察如圖4、圖5所示。遠(yuǎn)離斷面的區(qū)域為珠光體+鐵素體組織，而靠近斷面的區(qū)域為純鐵素體組織，表明斷面附近組織存在一定程度的脫碳，脫碳層深度約為100 μm。

圖4 遠(yuǎn)離斷面的金相組織Fig．4 Metallographicstructureofthepartawayfromfracture100μmFracturesurface圖5 斷面附近的金相組織Fig．5 Metallographicstructureofthepartnearfracture

1.4 同批次螺母質(zhì)量復(fù)查

對1 069件同批次螺母退鍍后進(jìn)行磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)有116件螺母表面存在磁痕顯示的缺陷，其中42件螺母表面的缺陷經(jīng)砂紙輕輕打磨后可以去除，剩余74件經(jīng)砂紙輕輕打磨后仍然明顯可見。根據(jù)缺陷所在部位可將上述74件螺母分為兩類：一類螺母的缺陷位于六方臺面，一類螺母的缺陷位于螺紋段圓弧面(圖6)。所有缺陷均呈縱向的直線段特征，未見分叉、彎曲現(xiàn)象。

位于六方臺面的缺陷經(jīng)丙酮+超聲波清洗后放入掃描電鏡觀察，如圖7所示。缺陷表面開口較寬，且開口兩側(cè)邊緣較為圓鈍，未見耦合性的裂紋特征。缺陷底部呈粗糙的起伏形貌特征。

沿垂直于缺陷的橫截面磨制金相試樣，磨拋腐蝕后進(jìn)行金相組織檢查。位于六方臺面的缺陷深度約為0.3 mm，其微觀形貌呈基本等寬的條狀形貌，從表面沿一定的角度向中心延伸，缺陷起始端與表面成15°～20°。另外，缺陷具有沿晶擴(kuò)展的特征，兩側(cè)存在寬約100 μm的脫碳層和晶粒粗大現(xiàn)象，內(nèi)部填充有灰色的氧化物(圖8)。位于螺紋段圓弧面的缺陷則在厚度方向完全貫穿，橫截面金相組織與失效零件(見圖5)相同，缺陷附近有明顯的脫碳現(xiàn)象，見圖9。

圖6 外套螺母表面的缺陷Fig.6 Surface defect appearance of cap nut

1.5 生產(chǎn)工藝檢查

圖7 表面缺陷的微觀缺陷Fig.7 Microscopic appearance of surface defect

圖8 六方臺面缺陷的橫截面金相組織Fig.8 Cross section metallographic structure of surface defect on the plane

圖9 螺紋段圓弧面缺陷的橫截面金相組織

對該批次外套螺母的全流程生產(chǎn)工藝進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)原材料入廠復(fù)驗、熱處理工序和零件總檢環(huán)節(jié)均存在質(zhì)量問題和隱患。首先，廠家提供的原材料入廠化驗報告單只對原材料進(jìn)行了碳含量的化學(xué)成分分析，未見針對原材料表面缺陷進(jìn)行的低倍試驗和無損檢測報告。其次，在熱處理工序中，工人違反工藝紀(jì)律，將本該正火的工序誤操作為淬火處理。檢驗員發(fā)現(xiàn)后，經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)確認(rèn)，對產(chǎn)品重新進(jìn)行正火處理。因此，該批次外套螺母所用原材料的實際熱處理過程如下：

1)淬火：840 ℃/25 min，鹽水冷卻；

2)回火：540 ℃/120 min，空冷；

3)正火：850 ℃/180 min，空冷。

最后，零件包裝入庫前的總檢只進(jìn)行外觀、尺寸的抽檢，未對外套螺母的表面缺陷進(jìn)行100%的無損檢測。

2 分析與討論

失效零件表面裂紋縱向筆直延伸，且斷面附著物含有較高的Zn元素(這是正?；w材料中不含有的元素)，說明裂紋形成于電鍍工序之前；因此，裂紋的形成與螺母裝配、使用環(huán)節(jié)的受力問題無關(guān)。結(jié)合零件的加工工藝流程，電鍍前的工序主要是下料、熱處理和機械加工，而外套螺母的機械加工過程為回轉(zhuǎn)體加工，不易產(chǎn)生縱向延伸的裂紋。此外，斷口橫截面的金相組織分析表明：斷面附近存在一定程度的脫碳現(xiàn)象，說明裂紋形成后還經(jīng)過了較長時間的高溫作用[7]；因此，外套螺母表面的裂紋最可能產(chǎn)生于原材料缺陷或者熱處理環(huán)節(jié)。

同批次1 069件螺母中有116件存在與失效零件表面裂紋相類似的縱向延伸缺陷。這些缺陷有的分布于外套螺母的六方臺面上，有些則分布于螺紋端圓弧面上。首先，對位于六方臺面的缺陷進(jìn)行微觀形貌和橫截面金相組織分析，可知缺陷開口的邊緣較為圓鈍，未見耦合性的裂紋特征，也并不具備淬火裂紋纖細(xì)剛直、曲折擴(kuò)展的金相組織特征[8]。缺陷兩側(cè)可見脫碳和晶粒長大的現(xiàn)象，且缺陷內(nèi)部填充有灰色的氧化物。綜合上述特點，可以判斷外套螺母六方臺面的缺陷為典型的表面折疊[9]。文獻(xiàn)[10]介紹，折疊缺陷是在棒料軋制過程中產(chǎn)生的，主要是由于軋輥上的型槽定徑不正確，或因型槽磨損面產(chǎn)生的毛刺在軋制時被卷入，形成和材料表面成一定傾角的折縫。對于鋼棒而言，由于折疊的形成溫度較高，折疊的內(nèi)腔往往被黑灰色或灰色的氧化物所填充，折疊的兩側(cè)容易產(chǎn)生脫碳和晶粒長大的現(xiàn)象。表面折疊屬于棒料的原始缺陷，這類缺陷之所以被遺傳至最終零件的六方臺面，主要是因為該批次外套螺母所用的原材料為直徑17 mm的六角方棒，而螺母六方臺面的直徑也為17 mm。六方臺面屬于外套螺母的非加工面，而原材料在入廠復(fù)驗時又未對表面折疊缺陷進(jìn)行有效的檢測，故容易將原始棒料的表面折疊缺陷帶入零件。

其次，分析螺紋段圓弧面缺陷和失效零件裂紋的橫截面金相組織，可知缺陷(或裂紋)在厚度方向均已完全貫穿，且伴有明顯的脫碳現(xiàn)象。測量外套螺母的外形尺寸，可知螺紋段圓弧面直徑為15 mm，相對于直徑17 mm的原始棒料而言，其單邊的車削加工量已達(dá)到1 mm。但是，根據(jù)圖8所示的金相組織，可知原始棒料的表面折疊深度約為0.3 mm；因此，螺紋段圓弧面缺陷和失效零件裂紋并不單純是原始棒料的表面折疊。通過生產(chǎn)工藝檢查，發(fā)現(xiàn)該外套螺母的熱處理工藝應(yīng)為正火，但工人誤操作為淬火處理，隨后又進(jìn)行了回火和正火處理。由于原始棒料的表面折疊末端為應(yīng)力集中點，在熱處理淬火時充當(dāng)了裂紋源，在淬火應(yīng)力作用下進(jìn)一步向厚度方向擴(kuò)展[11-12]，從而導(dǎo)致螺紋段圓弧面和失效零件形成厚度方向貫穿的裂紋。淬火擴(kuò)展形成的裂紋在隨后的正火處理(850 ℃/180 min)過程中產(chǎn)生脫碳[13-14]，形成了深約100 μm的脫碳層。

與由于裝配問題或者使用不當(dāng)所造成的零件失效不同，原材料折疊缺陷導(dǎo)致的零件失效往往是批次性問題，會造成巨大損失。如果增加對原材料和電鍍前零件的無損檢測工序，就可以及時發(fā)現(xiàn)原材料表面的折疊缺陷，并在后續(xù)的機加過程中將其去除，從而避免最終零件的批次性報廢[15]。

3 結(jié)論

1)失效零件的裂紋是由于原始棒料的表面折疊，在淬火過程中向厚度方向擴(kuò)展的結(jié)果。

2)通過增加對原始棒料和電鍍前零件的無損檢測工序，可以對棒料的折疊缺陷進(jìn)行篩選。同時，嚴(yán)格工藝紀(jì)律管理，杜絕將正火誤操作為淬火現(xiàn)象的發(fā)生，也可以避免宏觀裂紋的出現(xiàn)。

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AnalysisonSurfaceCrackof45SteelCapNut

WANG Hao-yu，HE Jun，WANG Da-wei，LI Guo-qing，LU Han

(AVICChengduAircraftIndustrial(Group)Co.,Ltd.,Chengdu610091,China)

A 45 steel cap nut was found to have surface crack during assembly. After subsequent screening, 116 of the 1 069 cap nuts delivered in the same batch had the same surface defects as the failure one. In order to find out the cracking reason, macro and micro observation on crack and fracture, energy spectrum analysis, and metallurgical structure examination were carried out. Based on these experimental results and production process inspection result, the final cracking reason of cap nut was determined. The results show that fold defects existed in raw material, which is the main reason for cracking. The primary fold defects became cracking sources when quenching, and extended in the thickness direction under the stress of quenching. It is proposed that nondestructive inspection should be used and process discipline management should be strict in order to avoid and prevent such failure.

45 steel；cap nut；fold；heat treatment；decarburization

2017年7月31日

2017年8月31日

王浩宇(1989年-)，男，碩士，主要從事金屬材料金相檢測、失效分析等方面的研究。

TG111.91

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.05.006

1673-6214(2017)05-0294-05