大型軸類鍛件熱處理過程開裂分析

藺立元，劉 哲，桑學科，張 青，郭衛民，劉國強，閻懷英，劉 瓏，丁 寧

（1.金雷科技股份公司，山東 濟南 271105；2.齊魯工業大學（山東省科學院）山東省分析測試中心，山東 濟南 250014；3.齊魯工業大學（山東省科學院）山東省材料失效分析與安全評估工程技術研究中心，山東 濟南 250014；4.齊魯工業大學（山東省科學院），山東省機械設計研究院，山東 濟南 250031）

1 引言

大型鍛件是重大裝備中的關鍵零部件，在航空航天、風電能源、石油化工等工業領域均有廣泛應用[1-3]。大型軸類鍛件是一類典型的機械結構，是保證機械裝備正常工作的重要組成部分[4，5]。大型軸類鍛件一般由鋼錠直接鍛造而成，鍛件的質量越大，鋼錠的噸位也越大。由于大型鋼錠的冶煉純凈度控制難度較大，這使得大型軸類鍛件在加工生產過程中可能出現各種各樣的問題，其中熱處理過程中出現開裂的現象比較普遍[6]。探明大型軸類鍛件熱處理過程中開裂的原因對于預防同類事故的發生具有重要意義。

某型號大型軸類鍛件在淬火過程后發現中心孔內壁出現了軸向裂紋。該大型軸類鍛件總長為3.85m（如圖1a 所示），成階梯狀中空結構，材質為定制合金鋼。該鍛件由大型鋼錠進行鍛造沖孔，隨后實施退火處理和粗加工，然后進行調質處理，即先在840℃下加熱，淬火水冷15min 后，在540℃回火保溫16h。在淬火過程完成后即發現了中心孔內壁出現軸向裂紋（如圖1b 所示），為防止裂紋進一步擴展，又按照設計工藝方案進行了回火。為確定該大型軸類鍛件的開裂原因，對其進行了宏觀及微觀檢查與分析。

圖1 大型軸類鍛件結構示意圖及內孔裂紋

2 試驗過程與分析

2.1 大型軸類鍛件裂紋的宏觀檢查

該大型軸類鍛件內孔裂紋沿軸向分布，小頭端裂紋延伸至端面。將內孔軸向裂紋進行切割取樣后，用肉眼和低倍放大鏡進行了仔細檢查。裂紋斷口宏觀形貌如圖2 所示，斷口表面及周圍無明顯塑性變形，可見明顯的紅褐色腐蝕產物覆蓋以及代表裂紋擴展方向的棱線。裂紋的起裂位置位于圖2 中黃色橢圓標記的區域，該區域為位于鍛件中心孔內壁處的長條狀面源，且該位置距離鍛件小頭端的端面約200 mm。裂紋由該位置起裂，沿軸向擴展，同時裂紋沿徑由中心孔內壁向材料內部擴展，擴展方向如黃色箭頭所示。

圖2 中心孔內壁裂紋斷口宏觀照片

2.2 化學成分分析

從開裂的大型軸類鍛件上截取試樣，制成符合成分分析的樣品，用X 射線熒光光譜儀和高頻紅外碳硫分析儀進行成分分析，結果見表1。分析表明，該軸的化學成分C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo 元素均符合標準中定制材質的成分要求。

表1 大型軸類鍛件母材的化學成分

2.3 中心孔內壁裂紋斷口的微觀檢查

將中心孔內壁的裂紋斷口進行切割取樣后，放入掃描電子顯微鏡（SEM），對其進行仔細檢查。圖3為裂紋斷口表面的微觀形貌。由圖可知，裂紋斷口的微觀形貌以穿晶特征為主，伴有少量撕裂棱，屬于脆性開裂。

圖3 中心孔內壁裂紋的斷口微觀形貌

2.4 低倍檢驗

從開裂斷口裂紋源附近截取了鍛件的縱截面、橫截面低倍檢驗試樣，將低倍檢驗試樣在約70℃恒溫水浴鍋中用1:1（容積比）工業鹽酸水溶液浸蝕18 min，進行低倍組織缺陷檢驗。

在縱截面酸浸低倍試片上發現帶狀偏析缺陷，該類缺陷在橫截面酸浸低倍試片上的表現為一般斑點狀偏析缺陷，根據標準GB/T 1979-2001 結構鋼低倍組織缺陷評級圖，評級為2 級，如圖4 所示。

圖4 低倍組織缺陷宏觀形貌

2.5 金相檢驗

金相檢驗是檢查材料冶煉、加工和熱處理后材料組織和缺陷狀況的有效方法。為檢查開裂軸類鍛件的金相組織，從開裂斷口裂紋源處截取了材料的金相試樣，經磨制、拋光后，用3%（體積分數）的硝酸酒精溶液浸蝕，利用光學顯微鏡進行金相觀察。

裂紋源處縱截面有多條帶狀的偏析組織（如圖5 中白色箭頭所示），沿軸向分布，位于孔內壁亞表面，在偏析組織內有條狀的A 類硫化物類夾雜物（如圖5 中紅色箭頭所示）和規則形狀的桔紅色TiN 夾雜物（如圖5 中紫色箭頭所示），基體材料的金相組織為回火索氏體。

圖5 裂紋源處縱截面金相組織

裂紋源處橫截面有斑點狀的偏析組織（如圖6中白色箭頭所示），在偏析組織內有規則形狀的桔紅色TiN 夾雜物（如圖6 中紫色箭頭所示），金相組織為回火索氏體。

圖6 裂紋源處橫截面金相組織

利用能量色散X 射線譜（EDS）對鍛件材料正常組織及偏析組織進行微區成分分析發現，偏析組織中特定合金元素（主要為Cr、Mn、Mo 以及V）的含量遠高于正常組織中的相應元素的含量（如圖7 所示），這使得偏析組織的硬度偏高。

圖7 偏析區域的微觀形貌及化學成分

3 分析與討論

該大型軸類鍛件的裂紋由距小軸端200mm 左右的中心孔內壁位置處起裂。分析結果表明，該裂紋的起始位置存在明顯的偏析缺陷，且偏析區域呈條帶狀分布，位于中心孔內壁亞表面，形成裂紋源。據研究表明，亞表面缺陷對于結構件性能的影響是最大的[7，8]。該位置偏析缺陷的存在導致熱處理過程中局部應力集中的產生，進而導致主軸從該位置起裂。

金屬合金中各部分化學成份的不均勻、不一致形成區域偏析，是冶煉過程中常見的缺陷，一般容易產生偏析的元素均集中在鋼錠最后凝固部分。在本案例中，裂紋源處偏析缺陷內部特定合金元素（主要為Cr、Mn、Mo 及V）的含量遠高于基體中的相應元素的含量。這些元素的偏析給鋼的熱處理過程帶來多方面影響。合金元素含量增加會使材料的馬氏體轉變點（Ms）降低，增大材料的淬裂傾向；合金元素含量的差異會加大淬火時相變的不等時性，因而增加內應力；加之合金元素強化奧氏體，難以塑性變形來松弛應力，因而增加熱處理應力，并增加淬裂的傾向。

此外，該軸類鍛件由小軸端近端面處（距端面約200mm）起裂，小軸端靠近大型鋼錠的冒口端，雖然在加工過程中冒口端的材料會被去除，但該區域可能存在比鋼錠其他位置更為嚴重的缺陷分布，使得開裂現象易在此處發生。

4 結論

該大型軸類鍛件的裂紋是由小軸端中心孔內壁偏析缺陷產生的應力集中導致的淬火裂紋。建議改善冶煉條件，消除或減輕區域偏析；評估大型軸類鍛件的偏析程度，適時調整熱處理工藝。