D2鋼卡簧沖頭斷裂失效分析

代玉杰

(青島金鏈檢測技術服務有限公司，山東 青島 266705)

D2鋼作為一種高碳高鉻萊氏體型冷作模具鋼，其含碳量高、合金元素多，鋼中存在大量的碳化物，具有高硬度、高耐磨性、良好韌性和抗變形性能；但其脆性大、變形抗力大、鍛造溫度范圍較窄、脫碳傾向大以及存在大量偏析嚴重的共晶碳化物等缺點[1-2]，影響了使用性能和壽命。某型號鏈條的卡簧沖頭采用D2鋼制成，在使用過程中發生早期斷裂，對其斷裂原因進行分析研究。

1 理化檢測

1.1 斷口分析

圖1為D2鋼卡簧沖頭斷口宏觀形貌。由圖1可知，斷口較為平坦、無剪切唇，呈現比較明顯的脆性斷裂特征。采用體視顯微鏡觀察斷口形貌如圖2所示。由圖可知，斷口呈高低不平的特征，沒有觀察到明顯的塑性變形痕跡，沒有明顯的裂紋源區和裂紋擴展區，有明顯的撕裂特征，而且可以看出斷裂擴展頻繁改變。

圖1 沖頭斷口

圖2 斷口形貌

將斷口試樣用無水酒精溶液進行超聲波清洗后，采用掃描電子顯微鏡進行金相組織觀察(見圖3)。由圖3可知，斷口表現為明顯的脆性斷裂特征，屬于解理-準解理斷口形貌。基體上可見清晰的解理面，斷口表面存在少量的撕裂嶺和韌窩區，在解理面上可見河流花樣，解理面間存在二次裂紋。

圖3 斷口金相組織

1.2 化學成分分析

采用直讀光譜儀對斷裂沖頭進行化學成分分析，分析結果見表1。與標準ASTM A681中D2材質成分對照[3]，斷裂沖頭的成分含量與標準要求的成分相當，符合標準要求。

表1 斷裂沖頭的化學成分(質量分數，%)

1.3 硬度檢測

采用HR-150A型洛氏硬度計對沖頭斷裂處和心部進行硬度檢測，硬度分別為59和60 HRC，符合設計的硬度要求。

1.4 金相組織觀察

1.4.1非金屬夾雜物和共晶碳化物不均勻度

D2鋼中的氧化物類和硅酸鹽類非金屬夾雜物的脆性大、塑性差，而硫化物類非金屬夾雜物強度低和熱塑性差，因此都容易成為裂紋源，引起沖頭斷裂失效。非金屬夾雜物形成偏析后，使沖頭的縱向和橫向性能出現差異，橫向的強度和韌性下降。在拋光態下檢測樣品縱向的非金屬夾雜物，按標準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》評定[4]，其氧化物夾雜為B1.0級，見圖4(a)。

試樣經4%硝酸酒精侵蝕后，發現共晶碳化物的偏析比較嚴重，呈嚴重的帶狀聚集分布，共晶碳化物的不均勻度按標準GB/T 14979—1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評定法》中的第四級別圖評定為 6級，見圖4(b)。根據該標準的有效截面厚度進行判定，一般≤50 mm的鋼材的共晶碳化物不均勻度不大于3級[5]。對于D2鋼這類高碳高鉻鋼來說，造成大量碳化物不均勻分布的主要原因為：由于D2鋼屬于高碳高合金鋼，其本身就容易出現較多的碳化物；由于鍛造工藝不充分或者球化退火不充分，導致帶狀聚集的共晶碳化物分布延續了其原始組織狀態。

1.4.2大塊碳化物級別和基體組織

試樣中的大塊共晶碳化物顆粒粗大、棱角鋒利，最大塊狀碳化物尺寸約為65 μm。參考標準JB/T 7713—2007《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗要求》對其大塊狀碳化物級別評定為5級，見圖 5(a)，其中尖角、塊狀碳化物成堆聚集或呈鏈狀分布，尖角狀和塊狀碳化物的尺寸較大。標準JB/T 7713—2007要求其大塊狀碳化物級別一般要≤3級[6]。

試樣基體組織為針狀回火馬氏體+少量殘留奧氏體+帶狀及聚集狀分布的共晶碳化物和粒狀二次碳化物+殘余奧氏體，淬回火馬氏體為3級，晶粒度為9級，試樣侵蝕后基體顏色為灰黑色，表明沖頭回火充分[7]，見圖5(b)。

圖5 (a)大塊狀碳化物和(b)基體組織

2 結果分析與討論

化學成分分析結果表明，斷裂沖頭的成分符合美國標準ASTM中 D2鋼的成分要求。

沖頭熱處理后的基體組織為回火馬氏體+塊粒狀碳化物+殘留奧氏體，基體為灰黑色，表明沖頭回火比較充分；但原材料中塊狀共晶碳化物呈明顯的條帶狀分布，而且局部有嚴重的堆集現象，將嚴重降低沖頭的使用壽命。同時，不均勻的共晶碳化物還將導致沖頭的力學性能呈各向異性，使得沖頭在熱處理和使用過程中發生畸變開裂，引起沖頭不均勻磨損和崩刃，最終導致沖頭的早期斷裂失效。與此同時，大塊狀、棱角尖銳的塊狀碳化物，會削弱基體間的界面結合力，甚至導致微裂紋的形成，極易使得材料腐蝕脆化；該處存在應力集中，也會導致沖頭在使用過程中發生早期脆性斷裂[8-10]。

3 結語及建議

D2鋼卡簧沖頭斷裂的主要原因是材料中共晶碳化物偏析嚴重，呈帶狀分布，同時存在尖角狀、大塊狀碳化物，從而導致沖頭在使用過程中發生早期斷裂失效。

在加工制造沖頭前，要對原材料的顯微組織進行檢驗。由于D2鋼中含有大量的共晶碳化物，其不均勻性會對材料使用性能產生重要的影響，因此要對共晶碳化物的分布進行嚴格的控制，評定共晶碳化物不均勻度可參照標準GB/T 14979—1994《鋼的共晶碳化物不均勻性度評定法》。共晶碳化物的大小也對材料性能產生很大影響，共晶碳化物過大會大大降低材料的韌性，因此要對共晶碳化物大小進行控制，評定共晶碳化物大小可參照標準JB/T 7713—2007《高碳高合金鋼制冷作模具顯微組織檢驗》。

當共晶碳化物呈明顯的網狀、條帶狀分布時，應進行熱加工處理，使共晶碳化物的大小、形態和分布發生改變，使其達到無規則均勻分布，才能提高沖頭的使用壽命。