４５鋼法蘭調(diào)質(zhì)處理開裂原因分析

歐海龍１ ２,金林奎１ ２,黃持偉１ ２,黃東彬１ ２,楊宇飛１ ２,鄧森瀚１ ２

(１．廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測中心,東莞 ５２３８０８;２．國家模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,東莞 ５２３８０８)

摘 要:某４５鋼法蘭零件調(diào)質(zhì)處理后內(nèi)孔邊緣發(fā)生開裂.通過宏觀檢驗(yàn)、硬度測試、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)的方法,對該４５鋼法蘭的開裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:法蘭開裂的主要原因是法蘭內(nèi)孔邊緣未倒角,淬火過程產(chǎn)生極大的表面拉應(yīng)力,造成拉向應(yīng)力開裂;另外基體存在枝晶狀組織,降低了材料的強(qiáng)度和韌性;熱處理過程中法蘭表面產(chǎn)生較嚴(yán)重的脫碳層,進(jìn)一步降低了材料的表面強(qiáng)度,最終導(dǎo)致內(nèi)孔邊緣淬火開裂.

關(guān)鍵詞:４５鋼;法蘭;應(yīng)力開裂;枝晶狀組織;表面脫碳;應(yīng)力集中

中圖分類號:TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０７Ｇ０５２８Ｇ０４

ReasonAnalysisonCrackingofa４５SteelFlangeafter

QuenchingandTemperingTreatment

OUHailong

１,２,JINLinkui１,２,HUANGChiwei１,２,HUANGDongbin１,２,YANGYufei１,２,DENGSenhan１,２

(１．GuangdongDongguanQualitySupervisionTestingCenter,Dongguan５２３８０８,China;

２．NationalMoldProductQualitySupervisionandInspectionCenter,Dongguan５２３８０８,China)

Abstract:A４５steelflangecrackedontheedgeoftheinnerholeafterquenchingandtemperingtreatment．

Thecrackingreasonsofthe４５steelflangewereanalyzedbymacroscopicexamination,hardnesstesting,chemical

compositionanalysisandmetallographicexamination．Theresultsshowthat:themainreasonforthecrackingofthe

flangewasthattheholeedgeoftheflangewasn’tchamfered,whichproducedlargetensilestressonthesurface

duringquenchingprocessandcausedthetensilestresscracking;inaddition,dendritestructureexistedinthematrix

andreducedthestrengthandtoughnessofthematerial;intheprocessofheattreatment,theseveredecarburization

layerappearedonthesurfaceoftheflange,whichfurtherreducedthesurfacestrengthofthe material,and

eventuallyledtothecrackingontheedgeoftheinnerhole．

Keywords:４５ steel;flange; stress cracking; dendrite structure; surface decarburization; stress

concentration

４５鋼為常用的中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼,具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性能,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性[１].某４５鋼法蘭產(chǎn)品采用直徑３００mm、長６０００mm 的圓棒下料,鍛造加工成外徑３８０mm、內(nèi)徑２２０ mm、厚度１１５ mm 的鍛件,然后機(jī)加工成外徑３７０mm、內(nèi)徑２３５mm、厚度１０５mm 的半成品,最后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理.該產(chǎn)品調(diào)質(zhì)處理后內(nèi)孔處存在開裂現(xiàn)象,筆者對開裂法蘭進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)和分析,以查明法蘭件開裂的原因,并提出合理化的改進(jìn)建議.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀檢驗(yàn)

失效件為 環(huán) 狀 帶 內(nèi) 孔 的 法 蘭 產(chǎn) 品,經(jīng) 過 了 鍛造加工、機(jī)加工及調(diào)質(zhì)處理.在調(diào)質(zhì)處理后,發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔邊緣分布著１０余條徑向延伸的裂紋,裂紋開口最大的部 位 都 出 現(xiàn) 在 內(nèi) 孔 邊 緣 的 尖 角 處,裂 紋表現(xiàn)為剛直的穿晶擴(kuò)展特征,擴(kuò)展長度達(dá)３５ mm,見圖１~２.

零件調(diào)質(zhì)處理前的機(jī)加工極為粗糙,從裂紋部位截取試樣進(jìn)行宏觀觀察,可見與內(nèi)孔壁相鄰的臺階平面上,橫向及縱向的刀痕極為粗大.試樣右側(cè)沿縱向粗糙刀痕產(chǎn)生一條縱向裂紋,與內(nèi)孔邊緣尖角處開裂的裂紋相交于右下側(cè),見圖３.試樣側(cè)面

可更明顯地觀察到內(nèi)孔邊緣的尖角部位,可見該零件內(nèi)孔邊緣的尖角處沒有經(jīng)過規(guī)范的圓角或倒角加工,見圖４.

１．２ 硬度測試

從失效 法 蘭 上 截 取 試 樣,使 用 奧 地 利 QnessＧQ１５０型全自動數(shù)顯洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試.測試結(jié)果表明,法蘭的硬度符合工廠內(nèi)部要求,且各點(diǎn)硬度偏差不大,見表１.

１．３ 化學(xué)成分分析

從失效法蘭上截取試樣,試樣尺寸為２５mm×２５mm×１５mm.使用牛津FOUNDRYＧMASTERPRO 型全譜直讀光譜儀,對法蘭試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表２.結(jié)果表明,該法蘭材料的化學(xué)成分符合 GB/T３０７７－２０１５«合金結(jié)構(gòu)鋼»對４５鋼的要求[２].

１．３ 金相檢驗(yàn)

非金屬夾雜物的含量對鋼材的強(qiáng)度及韌性有較大影響,含量越低表明材料具有越高的純凈度.依據(jù) GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬夾雜物含量的

測定———標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法»進(jìn)行非金屬夾雜物含量評定,結(jié)果如表３所示,可見材料中非金屬夾雜物的含量符合 GB/T３０７７－２０１５的要求.

在失效法蘭開裂處截取試樣,進(jìn)行金相檢驗(yàn).可見裂紋起始處曲折擴(kuò)展,向里層及下方延伸,裂紋兩側(cè)偶對性較強(qiáng),見圖５.裂紋中部及尾部或曲折或平直擴(kuò)展,裂紋兩側(cè)同樣具有較強(qiáng)的偶對性,見圖６.裂紋在擴(kuò)展過程中,存在 單 側(cè) 分 布 的 二 次 裂紋,這種裂紋擴(kuò)展形態(tài)屬于應(yīng)力開裂的特征組織,因此可以推斷材料失效屬于脆性應(yīng)力開裂[３],見圖７.

圖６.裂紋在擴(kuò)展過程中,存在 單 側(cè) 分 布 的 二 次 裂紋,這種裂紋擴(kuò)展形態(tài)屬于應(yīng)力開裂的特征組織,因此可以推斷材料失效屬于脆性應(yīng)力開裂[３],見圖７.

沿裂紋擴(kuò)展的垂直方向截取試樣,經(jīng)硝酸酒精侵蝕后進(jìn)行觀察,可見試樣表面呈現(xiàn)大理石花紋,見圖８.低倍觀察發(fā)現(xiàn),材料中白亮的枝晶狀偏析較為嚴(yán)重,見圖９.這是由于原材料直徑較大,在軋制及鍛造加工過程中,未能將原始枝晶組織充分打碎,使得材料組織呈現(xiàn)顏色深淺不一的形貌特征.材料組織的應(yīng)力分布不均勻,極易導(dǎo)致工件應(yīng)力集中并發(fā)生淬火開裂.

經(jīng)測量,該失效法蘭內(nèi)孔邊緣尖角處的過渡圓角半徑只有０．０９５mm,見圖１２,正常的過渡圓角半徑應(yīng)不小于２ mm,實(shí)測過渡圓角半徑與正常的過渡圓角半徑相差太大,極易產(chǎn)生淬火應(yīng)力集中開裂.

依據(jù) GB/T２２４－２００８«鋼的脫碳層深度測定法»進(jìn)行檢測,法蘭表面及內(nèi)孔邊緣尖角處的表面脫碳層達(dá)０．１３mm,見圖１０,使法蘭表面的強(qiáng)度明顯降低,開裂傾向進(jìn)一步增大.裂紋源處的表面脫碳層同樣在０．１０mm 左右,斷口表層呈現(xiàn)曲折的沿晶開裂,見 圖１１.在裂紋源附近的表層組織中,脫碳層內(nèi)的

鐵素體組織已經(jīng)形成沿晶開裂[４],見圖１２.零件基體調(diào)質(zhì)組織為保留馬氏體位相的回火索氏體,有少量殘余鐵素體,見圖１３,表明熱處理的淬火烈度較高.淬火介質(zhì)烈度越高,材料組織的淬透性越好,但其導(dǎo)致的淬火開裂傾向也越大[５].

依據(jù) GB/T２２４－２００８«鋼的脫碳層深度測定法»進(jìn)行檢測,法蘭表面及內(nèi)孔邊緣尖角處的表面脫碳層達(dá)０．１３mm,見圖１０,使法蘭表面的強(qiáng)度明顯降低,開裂傾向進(jìn)一步增大.裂紋源處的表面脫碳層同樣在０．１０mm 左右,斷口表層呈現(xiàn)曲折的沿晶開裂,見 圖１１.在裂紋源附近的表層組織中,脫碳層內(nèi)的鐵素體組織已經(jīng)形成沿晶開裂[４],見圖１２.零件基體調(diào)質(zhì)組織為保留馬氏體位相的回火索氏體,有少量殘余鐵素體,見圖１３,表明熱處理的淬火烈度較高.淬火介質(zhì)烈度越高,材料組織的淬透性越好,但其導(dǎo)致的淬火開裂傾向也越大[５].

２ 分析與討論

調(diào)質(zhì)處理是淬火加高溫回火的雙重?zé)崽幚?目的是使工件具有良好的綜合力學(xué)性能.調(diào)質(zhì)淬火得到的是淬火馬氏體組織,高溫回火得到的是回火索氏體組織.在淬火過程中,當(dāng)淬火產(chǎn)生的應(yīng)力大于材料本身的強(qiáng)度,便會導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生.淬火裂紋往往是在馬氏體轉(zhuǎn)變開始后不久就已產(chǎn)生,裂紋一般分布在工件的尖角、截面突變處,這就是材料的淬火應(yīng)力集中開裂[６].

應(yīng)力集中是指受力構(gòu)件由于幾何形狀、外形尺寸發(fā)生突變,而引起局部范圍內(nèi)應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象.當(dāng)受力時(shí),材料表面及缺陷處存在的應(yīng)力遠(yuǎn)大于平均應(yīng)力.淬火開裂與工件形狀有密切關(guān)系,工件上的缺口、棱角、尖角、溝槽和斷面急劇變化的部位,都是淬火應(yīng)力集中的地方,是淬裂的危險(xiǎn)部位.法蘭零件內(nèi)孔邊緣沒有倒角,在調(diào)質(zhì)處理后內(nèi)孔邊緣尖角處開裂,就是因?yàn)樵撎帒?yīng)力集中,淬火過程中產(chǎn)生極強(qiáng)的表面拉應(yīng)力,造成零件內(nèi)孔邊緣拉

向應(yīng)力開裂[７].

零件在鍛造時(shí)未能充分揉鍛,原始鑄造組織未被打碎,材料組織中的枝晶狀組織未能得到改善,材料的強(qiáng)度和韌性明顯降低.熱處理過程中,由于沒有采取規(guī)范的氣氛保護(hù)措施,零件表面形成了較嚴(yán)重的脫碳層,顯著降低了零件的表面強(qiáng)度,使內(nèi)孔邊緣拉向開裂傾向更大[８].

３ 結(jié)論

４５鋼法蘭零件內(nèi)孔開裂的主要原因是,未按規(guī)范要求進(jìn)行機(jī)加工,內(nèi)孔邊緣未倒角,致使該處應(yīng)力集中,造成零件內(nèi)孔拉向應(yīng)力開裂.材料基體中的枝晶組織降低了材料的強(qiáng)度和韌性,表面脫碳層降低了材料的強(qiáng)度,使內(nèi)孔邊緣拉向開裂更嚴(yán)重.

４ 建議

對零件的原材料必須嚴(yán)格執(zhí)行進(jìn)貨檢驗(yàn)制度,必須按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對材料的低倍組織及顯微組織進(jìn)行檢測,包括材料的偏析及疏松、非金屬夾雜物、顯微組織以及晶粒度等項(xiàng)目,各項(xiàng)指標(biāo)檢查合格后方可接受.

零件在軋制及鍛造加工過程中,必須加大鍛造的一次變形量,進(jìn)一步打碎原始枝晶組織,使組織更加均勻細(xì)化,為后期熱處理的產(chǎn)品質(zhì)量提供保障.

嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行熱處理前的機(jī)加工,特別是凹槽、臺階及尖角部位,必須保證半徑２mm 的圓角或４５°×２mm 的倒角,降低熱處理過程中淬火應(yīng)力集中開裂的傾向.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化實(shí)驗(yàn)-物理分冊）