臂銷調質開裂失效分析

姜影，牛迎春，鄭業方，夏玉亮，王玉才

株洲中車天力鍛業有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

某30CrNiMo8鋼臂銷[1]調質后，發現在縱面出現開裂，開裂位置及宏觀裂紋形態如圖1所示。臂銷原材料為鍛坯，經下料→鍛造→粗加工→調質等工藝生產而成，臂銷結構如圖2所示。

圖1 30CrNiMo8鋼臂銷開裂位置

圖2 臂銷結構

2 檢測與結果

2.1 裂紋宏觀形貌

從樣品外觀觀察發現有兩條宏觀裂紋：一條為貫穿裂紋1，如圖3所示；另一條為臺階處的裂紋2，如圖4所示。

圖3 貫穿裂紋1

圖4 臺階處折疊裂紋2

樣品裂紋中部（裂紋起源）存在截面尺寸突變結構，且變截面過渡處倒角、倒圓較小。

2.2 金相檢測

裂紋1斷口形貌如圖5所示，在圖5標記位置取樣，試樣打磨、拋光、侵蝕后置于GX-51顯微鏡下做金相組織檢測，結果如圖6所示。由圖6可知，由于裂紋附近無明顯的氧化脫碳，因此該裂紋應為淬火過程中產生的裂紋。

圖5 裂紋1斷口形貌

圖6 裂紋1附近金相組織（100×）

對裂紋2取樣做金相檢測，試樣經打磨、拋光后，置于GX-51顯微鏡下做金相組織檢測，結果如圖7所示。由圖7可知，試樣裂紋附近有氧化和脫碳，裂紋深度2.9mm，裂紋內充滿淬火冷卻介質，裂紋沒有擴展現象，應為淬火前裂紋。

圖7 裂紋2附近金相組織

2.3 硬度及性能檢測

在樣品R/2位置處取樣檢測布氏硬度及力學性能，結果見表1，力學性能符合技術要求。

表1 臂銷拉伸性能及硬度檢測

2.4 化學成分檢測

在臂銷開裂位置取樣，用直讀光譜儀按照技術協議，用光譜儀做成分檢測，結果見表2。化學成分滿足技術要求。

表2 臂銷化學成分檢測結果（質量分數） （%）

2.5 高倍金相組織檢測

試樣拋光后采用光學顯微鏡觀察裂紋附近組織，在樣品R/2位置處取樣檢測金相組織，晶粒度7.5級，金相組織為索氏體，未發現組織異常，金相組織檢測結果如圖8所示。

圖8 金相組織

3 結果及討論

熱處理過程中的開裂是最嚴重的熱處理失效。造成開裂的原因往往是諸多因素共同作用的結果，典型的有原材料因素、零件結構因素、熱處理工藝因素等[1，2]。

一般當產品來料存在顯微裂紋或其他冶金缺陷時，在淬火過程受到組織轉變、溫度變化的熱應力和組織應力共同作用下，必然會擴展和誘發形成熱處理裂紋，一般以宏觀裂紋為主，也存在內裂。典型的原材料缺陷包含偏析、帶狀組織、不合格的預備熱處理顯微組織、鍛造折疊等。一般在熱處理過程中，當零件結構設計上存在薄厚不均、開槽、通孔及盲孔等結構時，且當熱處理工藝在一定范圍內時，由于結構不合理都會在局部位置產生應力集中，從而出現崩角、開裂等問題。某些情況下由于脫碳和增碳會增加淬火開裂傾向，因此加熱過程中應盡可能減少零件表面的脫碳和增碳[3-5]。

上述臂銷的硬度、化學成分符合要求，金相組織正常，產品符合技術要求，由此可知，其熱處理過程滿足技術要求，無明顯異常。該開裂臂銷的裂紋從大的貫穿裂紋（裂紋1）來看，其裂紋源處于變截面尺寸結構圓弧過渡或倒角較小部位，導致在淬火過程中產生較大應力，形成貫穿整個工件的裂紋。該裂紋的產生主要是由于結構設計不合理，局部區域有效厚度較薄，從而導致在同等淬火冷卻介質條件下冷卻速度過快，加速了馬氏體組織轉變，增加了開裂傾向。在臺階位置（裂紋2）的裂紋缺陷證明，在淬火前就存在微裂紋，但該裂紋在淬火過程中未擴展，主要是存在較大的貫穿裂紋和淬火前裂紋，說明熱處理工藝合理，與裂紋形成無直接關系。

4 結束語

綜上所述，調質組織無過熱、過燒特征，硬度、化學成分符合要求，金相組織正常，產品符合技術要求，造成臂銷開裂的主要因素如下。

1）零件結構存在明顯的臺階，且臺階厚度14mm，臺階過渡位置圓弧過渡較小，淬火時由于冷卻速度過快，導致組織應力較大，從而增加了產品開裂傾向。

2）鍛造自身裂紋缺陷未消除，存在脫碳層及微小裂紋，容易造成淬火應力不均，使裂紋擴展導致淬火開裂。