50Cr鋼軸加工時斷裂的原因

祝 彬,徐鴻昊,張全新

(1.四川航天烽火伺服控制技術有限公司,成都 611130;2.重慶鋼鐵研究所有限公司,重慶 400084)

某公司生產的50Cr鋼棒規格為φ28 mm，其調質熱處理工藝為:淬火加熱至(830±15) ℃→保溫60 min→油冷→回火加熱至(620±50) ℃→保溫90 min→油冷。然后進行車削加工,在車削加工過程中發生了斷裂,為找到鋼軸的斷裂原因，筆者進行了一系列的理化檢驗與分析，以期為后續提出預防措施，防止此類事故再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂鋼軸的宏觀形貌如圖1所示，可見加工表面較粗糙，有明顯的車削加工刀紋，且斷裂部位位于鋼軸加工臺階的根部。鋼軸斷口具有金屬光澤，未見明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征，如圖2所示。

圖1 斷裂鋼軸宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured steel shaft

圖2 鋼軸斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fracture of steel shaft

1.2 化學成分分析

采用德國SPECTRO型直讀光譜儀和CS-206型紅外碳硫分析儀對斷裂鋼軸進行化學成分分析，結果如表1所示，可知50Cr鋼軸的化學成分符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》的技術要求。

表1 鋼軸的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of steel shaft (mass fraction) %

1.3 力學性能測試

使用HB-3000型布氏硬度計和HR-150A型洛氏硬度計對鋼軸的不同部位進行硬度測試，結果如表2所示。使用CMT5105型萬能試驗機對鋼軸進行室溫拉伸試驗，拉伸試樣的斷口為脆性斷口，無明顯塑性變形，試驗結果如表3所示。根據表2和表3可知鋼軸硬度基本符合企業技術文件的要求，鋼軸心部的硬度略低于表面的，但鋼軸強度和斷面收縮率等的測試結果均未達到技術文件的要求。

表2 鋼軸不同部位的硬度測試結果Tab.2 Hardness test results of different parts of steel shaft

表3 鋼軸的拉伸性能測試結果Tab.3 Test results of tensile properties of steel shaft

1.4 金相檢驗

在鋼軸斷口附近沿軸向在半徑1/2處剖開取樣，試樣經磨拋后，采用OLYMPUS GX71型光學顯微鏡觀察鋼軸斷口附近的非金屬夾雜物，如圖3a)所示，并按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》的要求對非金屬夾雜物進行評級，結果為A0.5,B1.0,C0.5,D1.5。將試樣經體積分數為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后觀察其顯微組織形貌，發現顯微組織為回火索氏體+上貝氏體，且試樣心部與表面的組織未見明顯差異，均含有較多的上貝氏體，如圖3b)～d)所示。

圖3 斷裂鋼軸的顯微組織形貌Fig. 3 Microstructure morphology of fractured steel shaft:a) nonmetallic inclusions; b) steel shaft surface; c) steel shaft center; d) upper bainite structure

2 分析與討論

根據鋼軸的化學成分分析結果可知，鋼軸材料符合GB/T 3077—2015對50Cr鋼的要求。通過對鋼軸不同部位的硬度測試和金相檢驗可知，其非金屬夾雜物級別及含量符合企業技術文件的要求，未見異常；鋼軸硬度基本符合要求，但處于合格范圍值的下限。通過對鋼軸進行室溫拉伸試驗可知，鋼軸強度未達到鋼軸產品性能的標準要求，斷后伸長率、斷面收縮率等塑性指標的實測值均低于合格范圍值下限，且拉伸試樣斷口無明顯塑性變形，為脆性斷口。

50Cr鋼是中碳含鉻合金結構鋼，具有較好的淬透性，油冷淬透直徑最大可達49 mm，該鋼種通常用于制造受較大載荷的零件，如傳動軸、齒輪、連桿和螺栓等，一般在調質狀態下使用[1]。經復查熱處理工藝記錄得知，50Cr鋼軸按照規定的熱處理工藝進行了調質處理，淬火、回火加熱溫度以及保溫時間均在允許偏差范圍內。按照工藝要求，50Cr鋼的調質組織應基本為回火索氏體[2],但從試樣的顯微組織來看，其調質組織除了回火索氏體外，還有較多的上貝氏體。上貝氏體組織強度較低,塑性及韌性較差,綜合力學性能較差[3]，這與前面觀察到鋼軸試樣無明顯塑性變形的脆性斷口特征，以及鋼軸力學性能試驗測得的硬度、強度和塑性指標結果吻合。因此，在50Cr鋼的調質熱處理中是不希望得到上貝氏體組織的。從貝氏體的形成過程來看,其是奧氏體在珠光體轉變溫度以下、馬氏體轉變溫度以上的中溫轉變產物,屬于鐵素體和滲碳體兩相組織[4-5]。按照材料熱處理過程的連續冷卻轉變曲線，在淬火冷卻過程中應考慮奧氏體冷卻速度對材料顯微組織的影響，如果淬火冷卻速度較慢，會使材料發生上貝氏體轉變，將導致其力學性能的降低[6-8]。

另一方面，從鋼軸的斷裂位置和宏觀形貌來看，鋼軸表面較粗糙，有明顯的車加工刀痕，斷裂部位位于鋼軸臺階根部。由于熱處理導致鋼軸本身韌性較差，加之軸類零件臺階根部和加工刀痕通常是應力集中區域，更容易誘發應力集中而形成裂紋源，最終導致材料發生脆性斷裂[9-10]。

3 結論及建議

鋼軸在調質淬火熱處理過程中形成了上貝氏體，降低了材料的力學性能，是導致鋼軸脆性斷裂的主要原因。鋼軸表面的加工刀痕和臺階根部的應力集中是鋼軸脆性斷裂的誘因。

建議應嚴格控制熱處理工藝，特別是在鋼棒調質熱處理時，應提高淬火冷速且及時冷卻，避免由于冷卻速度過慢而導致材料塑性降低。同時，提高鋼軸的表面機械加工質量，應盡量避免在鋼軸臺階根部形成加工刀痕或尖角從而導致應力集中，使得鋼軸在加工和使用過程中斷裂失效。