300M 重投掛鉤拉伸試樣異常斷裂分析

衛凌云

（廈門工學院，福建 廈門361021）

300M鋼牌號為40CrNi2Si2MoVA，是國內外航空領域廣泛使用的一種低合金超高強度鋼，綜合性能好、應用最廣泛和聲譽最好的起落架用鋼。它的力學性能具有強度高、橫向塑性高、斷裂韌性高、疲勞性能優良及抗腐蝕性能好等優點[1]。某空降空投重投機構300M掛鉤與零件在進行同爐拉伸試樣時，掛裝夾持頭根部過渡處發生異常斷裂。此試樣的加工、熱處理過程為：加工（L0部分留磨量），熱處理（真空爐870℃淬火；300℃兩次回火），磨削（L0部分磨到尺寸）。本文采用金相分析、硬度檢測、斷口分析等方法對異常斷裂的試樣進行了分析，結果證實該拉伸試樣出現異常斷裂為增碳所致。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

化學成分分析結果顯示表面含碳量為0.88%，而心部為0.40%，試樣表層碳含量比心部明顯偏高。

1.2 力學性能測試

采用電液伺服萬能材料試驗機UH-F500KNX，對試樣進行拉伸試驗，二根試樣的斷裂部位都不在有效區內，而是在夾持頭過渡臺階的根部，拉斷試樣見圖1。

1.3 宏觀檢驗

如圖1 所示，斷裂部位為臺階過渡處，斷口宏觀如圖2：斷口比較平坦，無明顯塑性變形，斷面與主應力方向垂直，明顯可見放射棱線。

圖1 試樣及斷裂部位

圖2 異常斷口宏觀圖

圖3 顯微組織

1.4 金相檢驗

在夾持部位取樣，橫截面進行磨制、拋光，制作試樣。使用型號為D1M光學顯微鏡觀察，金相組織如圖3 所示：從外往里由高碳針狀馬氏體逐漸過渡為低碳板條馬氏體，外部邊緣為高碳馬氏體與少量奧氏體。

1.5 硬度測試

斷裂試樣斷口附近的一小截作為硬度試樣，磨制拋光后對試樣進行硬度測試，從斷口表層到心部硬度呈梯度下降，曲線如圖4 所示。近表面硬度為643HV0.2，心部硬度為548HV0.2，表層硬度明顯偏高，增碳層深度約為0.3mm。

圖4 表面到心部硬度梯度曲線

1.6 掃描電鏡

斷口源區形貌見圖5，如圖中箭頭所示，棱線由裂源向內擴展放射。斷口無附著物，在掃描電鏡下觀察，邊緣源區為沿晶分離特征(圖6)。斷裂區微觀形貌呈典型的韌窩狀，裂紋源處未見任何冶金缺陷(圖7)。

圖5 斷裂源區形貌

2 分析

試樣斷裂發生在夾持部位臺階過渡處，斷口平齊，邊緣剪切區域極小，基本看不到纖維區，放射棱線明顯，與正常光滑圓柱拉伸試樣的斷裂不一樣[2]。從金相組織看：從外往里由高碳針狀馬氏體逐漸過渡為低碳板條馬氏體，邊緣組織為明顯的高碳馬氏體特征，該拉伸試樣為低合金超高強度鋼，正常情況下組織不應出現高碳馬氏體，而是與心部組織一致的板條馬氏體組織，因此斷口附近的表面碳含量明顯增加。

圖6 源區沿晶斷口形貌

圖7 瞬斷區斷口韌窩形貌

根據硬度測試結果，從外到內硬度呈曲線下降，表層硬度與心部硬度相差近100HV，這是由于針狀馬氏體比板條馬氏體硬度高。

沿晶斷裂屬于脆性斷裂失效[5]，沿晶斷裂是由某種原因弱化了晶界后發生的斷裂[5]。晶界有白色析出物，應是碳化物，弱化了材料的性能，優先沿晶界斷裂。

上述測試結果表明試樣在熱處理過程中發生了增碳。交界處含碳量的不同形成一個薄弱環節，表面增碳產生的碳化物在晶界析出，從而增加零件脆性，使零件基體在熱處理過程中相變不同，收縮和膨脹率不一樣，從而出現應力[5]。此外夾持頭過渡臺階截面形狀突變部位，為應力集中脆弱部位，應力作用時，此表面產生微裂紋，在后續拉伸過程中裂紋進一步延伸，直到發生斷裂。

綜上所述，試樣表面增碳是發生異常斷裂的根本原因，其次過渡處設計的不合理，有待改進。

3 結論

試樣表面增碳是發生異常斷裂的根本原因。