35CrMo軸斷裂原因分析

張琳琳，尹衍成，王 超，劉 環(huán)，趙 強

（青島特殊鋼鐵有限公司棒材研究所，山東 青島266000）

1 前 言

某用戶采購公司生產(chǎn)的35CrMo鋼用于加工生產(chǎn)成工程車用軸，其生產(chǎn)工藝為：圓鋼下料→熱鍛（1 050～1 150℃）→粗車→調(diào)質(zhì)→精車。下游用戶將軸安裝在挖掘機上，僅1個月就發(fā)生斷裂，給生產(chǎn)造成較大損失。為查找35CrMo鋼軸在生產(chǎn)過程中發(fā)生脆斷的原因，并制定改進(jìn)措施，結(jié)合圓鋼和鋼軸生產(chǎn)加工工藝，對發(fā)生脆斷的鋼棒連桿結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了檢驗和分析。結(jié)果表明，軸表面存在缺陷，熱加工不當(dāng)產(chǎn)生的組織異常，導(dǎo)致鋼軸產(chǎn)生脆性斷裂。

圖1 斷口兩側(cè)表面劃傷形貌

圖2 斷口宏觀形貌

2.1 低倍檢驗

在緊靠斷裂面下部切取一段試料制備成低倍試樣，酸浸后觀察，試片表層組織為淬硬層，厚度約1 mm，試樣近表層組織較致密，橫向低倍試樣中內(nèi)部疏松缺陷嚴(yán)重，低倍具體形貌見圖3。

2 試驗與分析

該批鋼件力學(xué)性能結(jié)果中強度指標(biāo)與技術(shù)要求相差較多，與鋼材的組織形態(tài)相關(guān)。斷裂軸試料斷口兩側(cè)表面存在嚴(yán)重劃傷形貌，劃痕密集，個別劃痕較深，并且在斷口周圍存在橫向微裂紋分布與劃痕方向一致現(xiàn)象，具體形貌見圖1。缺陷試料表層為較薄的淬硬層，斷口呈撕裂狀，裂紋起于表面，存在兩處裂紋源，部分區(qū)域存在脫殼現(xiàn)象，推測表層組織與內(nèi)部組織強度差異較大，呈脆性斷裂特征，如圖2所示。

圖3 低倍酸浸組織形貌

2.2 金相組織

在斷裂軸試料的半徑1/2處制備夾雜物試樣，夾雜物多為塑性硫化物夾雜，同時存在少數(shù)氧化物夾雜，按GB/T 10561—2005評定夾雜物級別，結(jié)果見表1。

表1 非金屬夾雜物檢驗結(jié)果 級

金相試樣組織對比。原狀態(tài)表面淬火層淬火組織為混合組織，而重新淬火后試樣組織為均勻的馬氏體組織，推測軸試樣表面淬火時溫度偏低或加熱時間過短導(dǎo)致奧氏體化不均勻，致使淬火時形成混合組織，具體組織形貌見圖4、圖5。

原狀態(tài)內(nèi)部調(diào)質(zhì)組織為鐵素體、珠光體混合組織，重新調(diào)質(zhì)后試樣組織為均勻的索氏體組織，推測軸試樣熱處理工藝不當(dāng)，由于冷速或均勻化時間問題導(dǎo)致出現(xiàn)上述混合組織，具體情況見圖6、圖7。

2.3 硬度

在以上試樣上進(jìn)行硬度對比測試，原斷裂軸試樣硬度值明顯偏低，低于委托單位提供的技術(shù)要求，檢測結(jié)果見表2。

圖4 原狀態(tài)表面淬火組織形貌（500×）

圖5 重新淬火試樣組織形貌（500×）

圖6 原狀態(tài)內(nèi)部調(diào)質(zhì)組織形貌（500×）

圖7 重新調(diào)質(zhì)試樣組織形貌（500×）

2.4 沖擊吸收功

將制備好的試樣進(jìn)行室溫（25℃）沖擊對比試驗，結(jié)果表明：原始狀態(tài)下試樣沖擊值明顯偏低，分別為 39.7、42.3、36.3 J，平均沖擊值為 39.4 J，低于GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定沖擊值結(jié)果63 J。試樣經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的沖擊值顯著提高，分別為114.3、114.3、125.3 J，平均沖擊值為117.9 J。

表2 硬度檢驗結(jié)果

3 結(jié)果分析

宏觀觀察軸試樣表面存在嚴(yán)重的劃傷痕跡，并且在斷口周圍存在橫向微裂紋分布與劃痕方向一致。劃傷嚴(yán)重增加了表面產(chǎn)生應(yīng)力集中的可能性，并導(dǎo)致裂紋源形成，同時斷口形貌呈撕裂狀，部分區(qū)域存在脫殼形貌特征，推測表層組織與內(nèi)部組織強度差異較大，為脆性斷裂特征。

低倍觀察試片表層組織為淬硬層，近表層組織較致密，橫向低倍試樣中內(nèi)部疏松缺陷嚴(yán)重，試樣內(nèi)外組織差異較大，推測軸試料可能為軋材。

按照斷裂軸試料熱處理工藝，其內(nèi)部組織應(yīng)為回火索氏體，表層組織應(yīng)為淬火組織，對比試驗觀察發(fā)現(xiàn)，原斷裂軸試料組織不均勻，表層組織為混合組織，內(nèi)部組織為鐵素體、珠光體混合組織。推測軸試樣熱處理不當(dāng)，未消除軋材原狀態(tài)組織形貌，導(dǎo)致軸試樣的力學(xué)性能不合。

4 結(jié) 語

通過分析，判斷軸的斷裂原因有：非鍛造產(chǎn)品，具有軋制各向異性，為軋材所制；熱處理工藝不當(dāng)，致使軸性能指標(biāo)不合；軸表面嚴(yán)重劃傷形成裂紋源，最終造成撕裂狀斷裂發(fā)生。