51CrV4鋼鏈板等溫淬火斷裂失效分析

■ 代玉杰，趙衛(wèi)萍，劉德鵬，王 魁

近年來，在汽車發(fā)動機、摩托車發(fā)動機和叉車發(fā)動機以及其他高速傳動系統(tǒng)中，對各種形式的齒形鏈的性能要求越來越高，歐美等發(fā)達國家已提出了與發(fā)動機同壽命的設(shè)計理念。因此，為提高齒形鏈的使用壽命，選用鏈板材質(zhì)為51CrV4 鋼。51CrV4鋼為中碳合金彈簧鋼，其化學成分等同于國產(chǎn)50CrVA鋼，其材料的穩(wěn)定性優(yōu)于國產(chǎn)50CrVA鋼，具有高的彈性極限和屈強比、高的疲勞極限和足夠的塑性，熱處理工藝性好。經(jīng)連續(xù)式網(wǎng)帶爐等溫淬火處理，可獲得力學性能較好的下貝氏體組織，用于高速、重載和交變載荷下的齒形鏈。但在裝配過程中發(fā)現(xiàn)一些斷裂鏈板，為找到鏈板斷裂的原因，采用直讀光譜儀、金相顯微鏡和維氏硬度計等手段對斷裂鏈板進行分析。

圖1 斷裂鏈板批次所用帶鋼的金相組織

表1 斷裂鏈板批次所用帶鋼的化學成分檢驗結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）（%）

1. 原材料的復檢

由于齒形鏈在起動頻繁/承受較大交變載荷的工況下工作，因此對冷軋帶鋼的組織和化學成分的要求嚴格。對斷裂鏈板批次所用的帶鋼進行復檢，經(jīng)直讀光譜儀分析，其化學成分如表1所示。結(jié)果表明其化學成分符合EN10132-4：2000標準中51CrV4鋼化學成分技術(shù)要求。

沿帶鋼軋制方向和垂直于軋制方向截取試樣，鑲嵌磨制拋光后夾雜物級別分析。按GB/T10561—2005標準進行夾雜物評定，各類非金屬夾雜物最大等級不超過1.5級。將制好的金相試樣用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，按照GB/T13299—1991標準進行帶狀組織評級，帶狀組織不大于1級，無脫碳現(xiàn)象。按照JB/T5074—2007標準，進行球化組織評定，金相組織如圖1所示。結(jié)果表明其球化等級為6級，組織為均勻分布的球化體+鐵素體。由此得知，帶鋼符合技術(shù)標準的要求。

2. 斷口宏觀分析

外觀檢查斷裂鏈板，可見斷口平齊而光亮，沒有明顯的塑性變形，為脆性斷口。

3. 金相組織檢測

采用雙盤式研磨機和金相顯微鏡對正常鏈板與斷裂鏈板沿厚度方向從表層向中心進行金相組織觀察。正常鏈板與斷裂鏈板金相試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在顯微鏡下觀察，金相檢驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，正常鏈板表層組織與心部組織均為下貝氏體+回火馬氏體+少量彌散分布的碳化物，無明顯增碳和脫碳現(xiàn)象。而斷裂鏈板的心部組織正常，碳化物分布較為均勻，但其表層組織中碳化物較多，且分布較為集中。由此可知，斷裂鏈板表面有增碳現(xiàn)象，增碳層厚度約0.02mm。由于帶鋼中Cr含量高，因此碳化物的形成敏感性較高，當?shù)葴鼐W(wǎng)帶爐內(nèi)的碳勢發(fā)生較大波動時，鏈板表面增碳，加之碳化物聚集并局部剝落，導致裂紋在應力集中的表面臺階處萌生和擴展，使得下貝氏體的優(yōu)良強韌性未能充分發(fā)揮，加速了裂紋的擴展，使得鏈板發(fā)生脆性斷裂。

圖2 鏈板表層組織與心部組織

表2 正常鏈板硬度梯度檢測結(jié)果

表3 斷裂鏈板硬度梯度檢測結(jié)果

4. 硬度檢測

依據(jù)GB/T4340.1—2012《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》對鏈板厚度方向進行硬度梯度檢測，如表2、表3所示。

51CrV4等溫鏈板要求淬火、回火后硬度為50～54HRC，通過對正常鏈板與斷裂鏈板進行硬度梯度分析對比發(fā)現(xiàn)，正常鏈板的硬度值在技術(shù)要求的下限，而斷裂鏈板的硬度值偏技術(shù)要求的上限。結(jié)合韌性檢驗工裝檢測，發(fā)現(xiàn)斷裂鏈板的韌性差，彎曲大于30°時，有裂紋出現(xiàn)。

5. 結(jié)語

斷裂鏈板所用原材料的組織和化學成分符合技術(shù)要求，其斷裂形式為脆性斷裂，主要原因是由于等溫淬火時鏈板表面增碳，加之碳化物聚集并局部剝落，導致裂紋在應力集中的表面臺階處萌生和擴展，使得下貝氏體的優(yōu)良強韌性未能充分發(fā)揮，加速了裂紋的擴展，使得鏈板發(fā)生脆性斷裂。

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