45鋼法蘭調(diào)質(zhì)處理開裂原因分析

歐海龍, 金林奎, 黃持偉, 黃東彬, 楊宇飛, 鄧森瀚

(1. 廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測中心, 東莞 523808； 2. 國家模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心, 東莞 523808)

質(zhì)量控制與失效分析

45鋼法蘭調(diào)質(zhì)處理開裂原因分析

歐海龍1,2, 金林奎1,2, 黃持偉1,2, 黃東彬1,2, 楊宇飛1,2, 鄧森瀚1,2

(1. 廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測中心, 東莞 523808； 2. 國家模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心, 東莞 523808)

某45鋼法蘭零件調(diào)質(zhì)處理后內(nèi)孔邊緣發(fā)生開裂。通過宏觀檢驗、硬度測試、化學成分分析、金相檢驗的方法，對該45鋼法蘭的開裂原因進行了分析。結(jié)果表明：法蘭開裂的主要原因是法蘭內(nèi)孔邊緣未倒角，淬火過程產(chǎn)生極大的表面拉應力，造成拉向應力開裂；另外基體存在枝晶狀組織，降低了材料的強度和韌性；熱處理過程中法蘭表面產(chǎn)生較嚴重的脫碳層，進一步降低了材料的表面強度，最終導致內(nèi)孔邊緣淬火開裂。

45鋼；法蘭；應力開裂；枝晶狀組織；表面脫碳；應力集中

45鋼為常用的中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，具有較高的強度和較好的切削加工性能，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性[1]。某45鋼法蘭產(chǎn)品采用直徑300 mm、長6 000 mm的圓棒下料，鍛造加工成外徑380 mm、內(nèi)徑220 mm、厚度115 mm的鍛件，然后機加工成外徑370 mm、內(nèi)徑235 mm、厚度105 mm的半成品，最后進行調(diào)質(zhì)處理。該產(chǎn)品調(diào)質(zhì)處理后內(nèi)孔處存在開裂現(xiàn)象，筆者對開裂法蘭進行了一系列理化檢驗和分析，以查明法蘭件開裂的原因，并提出合理化的改進建議。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

失效件為環(huán)狀帶內(nèi)孔的法蘭產(chǎn)品，經(jīng)過了鍛造加工、機加工及調(diào)質(zhì)處理。在調(diào)質(zhì)處理后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔邊緣分布著10余條徑向延伸的裂紋，裂紋開口最大的部位都出現(xiàn)在內(nèi)孔邊緣的尖角處，裂紋表現(xiàn)為剛直的穿晶擴展特征，擴展長度達35 mm，見圖1～2。

圖1 開裂法蘭外觀Fig.1 Appearance of the cracked flange

圖2 開裂部位外觀Fig.2 Appearance of the cracked part

零件調(diào)質(zhì)處理前的機加工極為粗糙，從裂紋部位截取試樣進行宏觀觀察，可見與內(nèi)孔壁相鄰的臺階平面上，橫向及縱向的刀痕極為粗大。試樣右側(cè)沿縱向粗糙刀痕產(chǎn)生一條縱向裂紋，與內(nèi)孔邊緣尖角處開裂的裂紋相交于右下側(cè)，見圖3。試樣側(cè)面可更明顯地觀察到內(nèi)孔邊緣的尖角部位，可見該零件內(nèi)孔邊緣的尖角處沒有經(jīng)過規(guī)范的圓角或倒角加工，見圖4。

圖4 內(nèi)孔尖角處形貌Fig.4 Morphology of the sharp corner of the inner hole

圖3 相交的裂紋形貌Fig.3 Morphology of the intersecting cracks

1.2 硬度測試

從失效法蘭上截取試樣，使用奧地利Qness-Q150型全自動數(shù)顯洛氏硬度計進行硬度測試。測試結(jié)果表明，法蘭的硬度符合工廠內(nèi)部要求，且各點硬度偏差不大，見表1。

表1 法蘭硬度測試結(jié)果

1.3 化學成分分析

從失效法蘭上截取試樣，試樣尺寸為25 mm×25 mm×15 mm。使用牛津FOUNDRY-MASTER PRO型全譜直讀光譜儀，對法蘭試樣進行化學成分分析，結(jié)果見表2。結(jié)果表明，該法蘭材料的化學成分符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對45鋼的要求[2]。

表2 法蘭材料的化學成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))

1.3 金相檢驗

非金屬夾雜物的含量對鋼材的強度及韌性有較大影響，含量越低表明材料具有越高的純凈度。依據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》進行非金屬夾雜物含量評定，結(jié)果如表3所示，可見材料中非金屬夾雜物的含量符合GB/T 3077-2015的要求。

表3 非金屬夾雜物含量檢測結(jié)果

圖5 裂紋端部形貌Fig.5 Morphology of the crack tip

在失效法蘭開裂處截取試樣，進行金相檢驗。可見裂紋起始處曲折擴展，向里層及下方延伸，裂紋兩側(cè)偶對性較強，見圖5。裂紋中部及尾部或曲折或平直擴展，裂紋兩側(cè)同樣具有較強的偶對性，見圖6。裂紋在擴展過程中，存在單側(cè)分布的二次裂紋，這種裂紋擴展形態(tài)屬于應力開裂的特征組織，因此可以推斷材料失效屬于脆性應力開裂[3]，見圖7。

圖6 裂紋中部形貌Fig.6 Morphology of the middle of the crack

圖7 應力裂紋形貌Fig.7 Morphology of stress cracks

沿裂紋擴展的垂直方向截取試樣，經(jīng)硝酸酒精侵蝕后進行觀察，可見試樣表面呈現(xiàn)大理石花紋，見圖8。低倍觀察發(fā)現(xiàn)，材料中白亮的枝晶狀偏析較為嚴重，見圖9。這是由于原材料直徑較大，在軋制及鍛造加工過程中，未能將原始枝晶組織充分打碎，使得材料組織呈現(xiàn)顏色深淺不一的形貌特征。材料組織的應力分布不均勻，極易導致工件應力集中并發(fā)生淬火開裂。

圖8 試樣侵蝕后宏觀形貌Fig.8 Macro morphology of the specimen after etching

圖9 材料中的枝晶狀組織形貌Fig.9 Morphology of the dendrite structure in the material

經(jīng)測量，該失效法蘭內(nèi)孔邊緣尖角處的過渡圓角半徑只有0.095 mm，見圖12，正常的過渡圓角半徑應不小于2 mm，實測過渡圓角半徑與正常的過渡圓角半徑相差太大，極易產(chǎn)生淬火應力集中開裂。依據(jù)GB/T 224-2008《鋼的脫碳層深度測定法》進行檢測，法蘭表面及內(nèi)孔邊緣尖角處的表面脫碳層達0.13 mm，見圖10，使法蘭表面的強度明顯降低，開裂傾向進一步增大。裂紋源處的表面脫碳層同樣在0.10 mm左右，斷口表層呈現(xiàn)曲折的沿晶開裂，見圖11。在裂紋源附近的表層組織中，脫碳層內(nèi)的鐵素體組織已經(jīng)形成沿晶開裂[4]，見圖12。零件基體調(diào)質(zhì)組織為保留馬氏體位相的回火索氏體，有少量殘余鐵素體，見圖13，表明熱處理的淬火烈度較高。淬火介質(zhì)烈度越高，材料組織的淬透性越好，但其導致的淬火開裂傾向也越大[5]。

圖10 邊緣尖角處形貌Fig.10 Morphology of the edge of sharp corner

圖11 表面脫碳層形貌Fig.11 Morphology of the surface decarburization layer

圖12 表層沿晶開裂形貌Fig.12 Morphology of intergranular cracking on the surface

2 分析與討論

調(diào)質(zhì)處理是淬火加高溫回火的雙重熱處理，目的是使工件具有良好的綜合力學性能。調(diào)質(zhì)淬火得到的是淬火馬氏體組織，高溫回火得到的是回火索氏體組織。在淬火過程中，當淬火產(chǎn)生的應力大于材料本身的強度，便會導致裂紋產(chǎn)生。淬火裂紋往往是在馬氏體轉(zhuǎn)變開始后不久就已產(chǎn)生，裂紋一般分布在工件的尖角、截面突變處，這就是材料的淬火應力集中開裂[6]。

應力集中是指受力構(gòu)件由于幾何形狀、外形尺寸發(fā)生突變，而引起局部范圍內(nèi)應力顯著增大的現(xiàn)象。當受力時，材料表面及缺陷處存在的應力遠大于平均應力。淬火開裂與工件形狀有密切關(guān)系，工件上的缺口、棱角、尖角、溝槽和斷面急劇變化的部位，都是淬火應力集中的地方，是淬裂的危險部位。

法蘭零件內(nèi)孔邊緣沒有倒角，在調(diào)質(zhì)處理后內(nèi)孔邊緣尖角處開裂，就是因為該處應力集中，淬火過程中產(chǎn)生極強的表面拉應力，造成零件內(nèi)孔邊緣拉向應力開裂[7]。

零件在鍛造時未能充分揉鍛，原始鑄造組織未被打碎，材料組織中的枝晶狀組織未能得到改善，材料的強度和韌性明顯降低。熱處理過程中，由于沒有采取規(guī)范的氣氛保護措施，零件表面形成了較嚴重的脫碳層，顯著降低了零件的表面強度，使內(nèi)孔邊緣拉向開裂傾向更大[8]。

3 結(jié)論

45鋼法蘭零件內(nèi)孔開裂的主要原因是，未按規(guī)范要求進行機加工，內(nèi)孔邊緣未倒角，致使該處應力集中，造成零件內(nèi)孔拉向應力開裂。材料基體中的枝晶組織降低了材料的強度和韌性，表面脫碳層降低了材料的強度，使內(nèi)孔邊緣拉向開裂更嚴重。

4 建議

對零件的原材料必須嚴格執(zhí)行進貨檢驗制度，必須按照有關(guān)標準要求對材料的低倍組織及顯微組織進行檢測，包括材料的偏析及疏松、非金屬夾雜物、顯微組織以及晶粒度等項目，各項指標檢查合格后方可接受。

零件在軋制及鍛造加工過程中，必須加大鍛造的一次變形量，進一步打碎原始枝晶組織，使組織更加均勻細化，為后期熱處理的產(chǎn)品質(zhì)量提供保障。

嚴格按照規(guī)范要求進行熱處理前的機加工，特別是凹槽、臺階及尖角部位，必須保證半徑2 mm的圓角或45°×2 mm的倒角，降低熱處理過程中淬火應力集中開裂的傾向。

[1] 李春勝,黃德彬.金屬材料手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005:57-58.

[2] 桂立豐,吳誠.機械工程測試材料手冊[M].遼寧:遼寧科學技術(shù)出版社,1996:1043-1049.

[3] 馬鵬飛,李美蘭,戈曉嵐.熱處理技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2008:19-21.

[4] 張學彬,繆振華,蔣月娟,等.40Cr鋼機油泵軸斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊,2010,46(4):257-258.

[5] 宋余九.金屬的晶界與強度[M].西安:西安交通大學出版社,1987:101-105.

[6] 張菊水.金相檢驗[M].上海:上海科學技術(shù)出版社,1984:32-39.

[7] 方可偉,羅坤杰,李巖,等.汽輪機抽汽疏水管焊縫開裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(2):123-126.

[8] 呂炎.鍛件缺陷分析與對策[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999:134-138.

Reason Analysis on Cracking of a 45 Steel Flange after Quenching and Tempering Treatment

OU Hailong1,2, JIN Linkui1,2, HUANG Chiwei1,2, HUANG Dongbin1,2, YANG Yufei1,2, DENG Senhan1,2

(1. Guangdong Dongguan Quality Supervision Testing Center, Dongguan 523808, China;2. National Mold Product Quality Supervision and Inspection Center, Dongguan 523808, China)

A 45 steel flange cracked on the edge of the inner hole after quenching and tempering treatment. The cracking reasons of the 45 steel flange were analyzed by macroscopic examination, hardness testing, chemical composition analysis and metallographic examination. The results show that: the main reason for the cracking of the flange was that the hole edge of the flange wasn’t chamfered, which produced large tensile stress on the surface during quenching process and caused the tensile stress cracking; in addition, dendrite structure existed in the matrix and reduced the strength and toughness of the material; in the process of heat treatment, the severe decarburization layer appeared on the surface of the flange, which further reduced the surface strength of the material, and eventually led to the cracking on the edge of the inner hole.

45 steel; flange; stress cracking; dendrite structure; surface decarburization; stress concentration

10.11973/lhjy-wl201707017

2016-08-05

歐海龍(1971-)，男，高級工程師，碩士，主要從事國家模具產(chǎn)品的監(jiān)督檢驗及管理工作，ohl@gddqt.com

TG115.2

B

1001-4012(2017)07-0528-04