30Cr13不銹鋼彈性圓柱銷裝配開裂分析

■ 許永春，李曉峰，徐儉，郝琦崢，董新燕，楊冬梅

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30Cr13（3Cr13）是一種馬氏體不銹鋼，具有較高的強度、硬度和較好的淬透性，適用于制造高強度、承受高應(yīng)力載荷，并在一定腐蝕介質(zhì)下工作，同時兼有耐磨性能的緊固件。

某公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)GB879.1，規(guī)格4×14，材質(zhì)30Cr13，彈性圓柱銷在安裝時開裂，且開裂比例較大，為批次性問題。本文通過分析找出開裂的根本原因。具體開裂位置如圖1所示。

圖1 失效件

由圖1可以看出：裂紋從圓柱銷端部產(chǎn)生，沿縱向開裂，甚至出現(xiàn)掉塊，裂紋深度約占總長的3/4。

1.化學(xué)成分

對失效件進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，該失效件化學(xué)成分滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求，碳含量在中上限。

2.斷口分析

對斷裂件進行宏觀和微觀斷口分析，具體斷口形貌如圖2所示。

表1 化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖2 失效件斷口形貌

由圖2可知，失效件縱向和橫向宏觀斷口形貌相似,均呈顆粒狀、小刻面金屬光澤，斷口平齊，斷面潔凈，未見明顯宏觀塑性變形；縱向和橫向微觀斷口均呈冰糖狀沿晶特征，個別件存在二次裂紋。

3.性能驗證

取失效件與同批次未用產(chǎn)品做硬度試驗，結(jié)果如表2所示。

從表2硬度數(shù)據(jù)可以看出：失效件與未用件硬度值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，失效件硬度值略高，未用件最大值與最小值相差11HV，兩者硬度值均接近標(biāo)準(zhǔn)值上限。

4.顯微組織分析

對失效件及同批次未用件進行顯微組織分析，結(jié)果如圖3所示。

從圖3失效件與同批次未用件顯微組織對比分析可知：失效件和同批次未用件顯微組織均為粗大的回火束狀馬氏體結(jié)構(gòu)，晶粒度約為4級，未發(fā)現(xiàn)過熱、過燒現(xiàn)象。

5.斷口對比分析

對同批次未用件放置臺虎鉗上，預(yù)制人工斷口，具體分析結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出：同批次未使用產(chǎn)品橫向和縱向斷口未見宏觀塑性變形，斷口呈冰糖狀，宏觀斷口與失效件相似；微觀斷口主要為沿晶特征，局部有少許韌窩。

6.分析與討論

對安裝開裂的圓柱銷進行斷口分析，斷口為脆性沿晶特征，同批次未用件人工斷口也為脆性沿晶特征，但局部有少許韌窩；失效件和同批次未用件硬度值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但接近標(biāo)準(zhǔn)值上限；顯微組織為粗大的回火馬氏體組織，晶粒較大。

表2 硬度試驗 （HV30）

圖3 顯微組織

圖4 人工斷口

材料成分碳含量靠近上限值，增加了其淬透性；顯微組織較為粗大，硬度值接近標(biāo)準(zhǔn)值上限，產(chǎn)品脆性顯著增加，塑性較低。在裝配時因圓柱銷端面需引導(dǎo)插入安裝孔中，變形量較大，導(dǎo)致沿晶脆性開裂。

7.結(jié)論及建議

該批次圓柱銷產(chǎn)品硬度值接近標(biāo)準(zhǔn)值上限且顯微組織為粗大的回火馬氏體組織，導(dǎo)致脆性較大，塑性較差。在裝配時，裂紋從圓柱銷端部萌生，并迅速擴展直至開裂。

通過上述分析，建議采取以下措施，防止問題再次發(fā)生：

（1）合理控制材料晶粒，使之不過大，降低脆性風(fēng)險。

（2）優(yōu)化熱處理制度，適當(dāng)提高回火溫度，控制硬度值在合理范圍內(nèi)。