21CrMoV5-7鋼制螺母沖擊試驗失敗分析

許永春、徐儉、穆延兵、鄧麗娟、時杭

21CrMoV5-7鋼是一種調質鋼、耐熱結構鋼，德國材料牌號，其代號為1.7709。該鋼具有良好的淬透性，經調質處理后可以獲得良好的強度、塑性及韌性配合。常用于制造螺栓、螺母等緊固件，最高使用溫度為540℃。螺母作為一種重要的結構件，其失效故障將對產品造成極大的危害。本文對21CrMoV5-7鋼制螺母在沖擊試驗時，發現沖擊吸收能量遠低于標準規定的數值的現象進行了分析研究，服役后將對產品造成極大的危害。

該批次螺母的原材料狀態為調質態，其加工流程為：下料→磨光→車六方→車螺紋→表面處理等。由于廠家需求較急，原材料采購后，直接投產，沒有進行相關的驗收檢驗。在后續的產品加工過程中，原材料復驗逐步進行，在做沖擊試驗時，沖擊吸收能量與標準值相差甚遠，試驗結果見表1。此時，螺母生產已到表面處理工序。

1.理化檢驗

（1）化學成分分析 針對該批次螺母，截取一塊進行電感耦合等離子發射光譜儀（ICP）化學成分分析，結果見表2。從表2數據中可以看出：硫元素含量接近上限，硅元素含量較多，但總體來說均符合原材料標準要求。

（2）顯微組織分析 對該批次螺母沖擊試樣進行橫向與縱向顯微組織分析，如圖1所示。

圖1顯示了沖擊試樣的顯微組織特征，從圖中可以看出：圖1a為橫向100×夾雜物形貌，其夾雜物主要為顆粒狀氧化物夾雜，尺寸較小，依據GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》可評為細系2級；圖1b為100×縱向夾雜物特征，其非金屬夾雜物，主要為硫化物夾雜，依據GB/T10561—2005，可評為細系2級；圖1c為橫向200×顯微組織形貌，顯微組織主要為珠光體與鐵素體，從顯微組織來看，該材料狀態為正火態；圖1d為500×橫向顯微組織，鐵素體呈塊狀，所占比例大致為70%，珠光體所占比例較小；圖1e為100×縱向顯微組織，組織表現為較為明顯的帶狀組織特征；圖1f為500×縱向顯微組織，由圖可見，鐵素體所占比例明顯大于橫向顯微組織，約占80%，進而說明了該材料存在偏析現象。

表1 沖擊性能AKV試驗結果 （J）

表2 化學成分分析（質量分數） （%）

該沖擊試樣顯微組織為鐵素體與珠光體機械混合組織，原材料來料熱處理狀態為正火態。

（3）力學性能分析 對該批次螺母進行維氏硬度試驗，其結果見表3。

從表3中可以看出：數據基本偏差不大，最大值與最小值相差8HV5，依據ISO18265—2013《金屬材料硬度換算表》，換算成抗拉強度為740～770MPa，與實際測得的抗拉強度750MPa相差不大。從硬度數據分析，該批次材料顯微組織不是退火態，常見的退火態抗拉強度為550MPa左右，硬度大致為170HV5。

2.綜合分析

21CrMoV5-7材料經890～940℃淬火，淬火冷卻介質為油，680～720℃回火后，其沖擊吸收能量為160J左右，正常的調質態顯微組織及晶粒如圖2所示。

圖2顯示了經調質處理后的顯微組織及晶粒度，從圖中可見：圖2a中組織為回火索氏體，在回火過程中，過飽和碳化物從馬氏體基體中析出，形成鐵素體及合金碳化物（球狀），合金碳化物呈彌散分布，具有較高的韌性及強度；圖2b中的回火晶粒細小，依據GB/T6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》，其晶粒度可評為8級。

亞共析鋼正火一般選擇Ac3以上100～150℃，經過一定的保溫時間，出爐空冷，冷卻速度較慢。正常的21CrMoV5-7高溫回火溫度為680～720℃，正火溫度相當于更高溫度的回火，當鋼以較高溫度回火時，緩慢通過450～650℃時，會發生緩冷脆化現象，即發生第二類回火脆性。第二類回火脆性可以使室溫沖擊韌度aK顯著下降，冷脆轉化溫度50%FATT顯著升高，斷口一般呈沿晶斷裂特征。

圖1 沖擊試樣顯微組織

綜上所述，該批次螺母原材料沖擊試驗不合格，主要原因為材料狀態為正火態而非調質態。在正火冷卻過程中，發生緩冷脆化，造成第二類回火脆性產生；由于雜質元素如P、S、Si等含量較高，并且與Ni、Cr、Mn等元素相互作用，當雜質元素含量一定時，Mn、Cr等元素含量越高，脆化越嚴重；又由于非金屬夾雜物含量較多，且呈線狀，共同造成了該批材料室溫沖擊性能不合格。

3.結語

該批次螺母原材料沖擊性能不合格的主要原因是，原材料非調質處理，正火緩冷過程中，造成第二類回火脆性，嚴重降低了室溫沖擊韌度。由此提出兩點建議：

（1）加強原材料入廠質量控制，對于特殊用途的材料，應檢測合格后再行投產，以免由于原材料原因，造成產品報廢。

（2）對該批次螺母及剩余材料重新進行淬火、高溫回火處理，待室溫沖擊性能合格后，方可放行。

圖2 調質態顯微組織及晶粒度

表3 硬度