４５鋼法蘭調質處理開裂原因分析

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．廣東省東莞市質量監督檢測中心,東莞 ５２３８０８;２．國家模具產品質量監督檢驗中心,東莞 ５２３８０８)

    摘 要:某４５鋼法蘭零件調質處理后內孔邊緣發生開裂.通過宏觀檢驗、硬度測試、化學成分分析、金相檢驗的方法,對該４５鋼法蘭的開裂原因進行了分析.結果表明:法蘭開裂的主要原因是法蘭內孔邊緣未倒角,淬火過程產生極大的表面拉應力,造成拉向應力開裂;另外基體存在枝晶狀組織,降低了材料的強度和韌性;熱處理過程中法蘭表面產生較嚴重的脫碳層,進一步降低了材料的表面強度,最終導致內孔邊緣淬火開裂.

    關鍵詞:４５鋼;法蘭;應力開裂;枝晶狀組織;表面脫碳;應力集中

    中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼: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鋼為常用的中碳調質結構鋼,具有較高的強度和較好的切削加工性能,經調質處理后可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性[１].某４５鋼法蘭產品采用直徑３００mm、長６０００mm 的圓棒下料,鍛造加工成外徑３８０mm、內徑２２０ mm、厚度１１５ mm 的鍛件,然后機加工成外徑３７０mm、內徑２３５mm、厚度１０５mm 的半成品,最后進行調質處理.該產品調質處理后內孔處存在開裂現象,筆者對開裂法蘭進行了一系列理化檢驗和分析,以查明法蘭件開裂的原因,并提出合理化的改進建議.

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀檢驗

失效件為 環 狀 帶 內 孔 的 法 蘭 產 品,經 過 了 鍛造加工、機加工及調質處理.在調質處理后,發現內孔邊緣分布著１０余條徑向延伸的裂紋,裂紋開口最大的部 位 都 出 現 在 內 孔 邊 緣 的 尖 角 處,裂 紋表現為剛直的穿晶擴展特征,擴展長度達３５ mm,見圖１~２.

    零件調質處理前的機加工極為粗糙,從裂紋部位截取試樣進行宏觀觀察,可見與內孔壁相鄰的臺階平面上,橫向及縱向的刀痕極為粗大.試樣右側沿縱向粗糙刀痕產生一條縱向裂紋,與內孔邊緣尖角處開裂的裂紋相交于右下側,見圖３.試樣側面

    可更明顯地觀察到內孔邊緣的尖角部位,可見該零件內孔邊緣的尖角處沒有經過規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型全自動數顯洛氏硬度計進行硬度測試.測試結果表明,法蘭的硬度符合工廠內部要求,且各點硬度偏差不大,見表１.

１．３ 化學成分分析

    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,對法蘭試樣進行化學成分分析,結果見表２.結果表明,該法蘭材料的化學成分符合 GB/T３０７７－２０１５«合金結構鋼»對４５鋼的要求[２].

１．３ 金相檢驗

    非金屬夾雜物的含量對鋼材的強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 GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬夾雜物含量的

    測定———標準評級圖顯微檢驗法»進行非金屬夾雜物含量評定,結果如表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,進行金相檢驗.可見裂紋起始處曲折擴展,向里層及下方延伸,裂紋兩側偶對性較強,見圖５.裂紋中部及尾部或曲折或平直擴展,裂紋兩側同樣具有較強的偶對性,見圖６.裂紋在擴展過程中,存在 單 側 分 布 的 二 次 裂紋,這種裂紋擴展形態屬于應力開裂的特征組織,因此可以推斷材料失效屬于脆性應力開裂[３],見圖７.

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

    沿裂紋擴展的垂直方向截取試樣,經硝酸酒精侵蝕后進行觀察,可見試樣表面呈現大理石花紋,見圖８.低倍觀察發現,材料中白亮的枝晶狀偏析較為嚴重,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,使得材料組織呈現顏色深淺不一的形貌特征.材料組織的應力分布不均勻,極易導致工件應力集中并發生淬火開裂.

    經測量,該失效法蘭內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不小于２ mm,實測過渡圓角半徑與正常的過渡圓角半徑相差太大,極易產生淬火應力集中開裂.

依據 GB/T２２４－２００８«鋼的脫碳層深度測定法»進行檢測,法蘭表面及內孔邊緣尖角處的表面脫碳層達０．１３mm,見圖１０,使法蘭表面的強度明顯降低,開裂傾向進一步增大.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,脫碳層內的

    鐵素體組織已經形成沿晶開裂[４],見圖１２.零件基體調質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.淬火介質烈度越高,材料組織的淬透性越好,但其導致的淬火開裂傾向也越大[５].

    依據 GB/T２２４－２００８«鋼的脫碳層深度測定法»進行檢測,法蘭表面及內孔邊緣尖角處的表面脫碳層達０．１３mm,見圖１０,使法蘭表面的強度明顯降低,開裂傾向進一步增大.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,脫碳層內的鐵素體組織已經形成沿晶開裂[４],見圖１２.零件基體調質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.淬火介質烈度越高,材料組織的淬透性越好,但其導致的淬火開裂傾向也越大[５].

２ 分析與討論

    調質處理是淬火加高溫回火的雙重熱處理,目的是使工件具有良好的綜合力學性能.調質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,當淬火產生的應力大于材料本身的強度,便會導致裂紋產生.淬火裂紋往往是在馬氏體轉變開始后不久就已產生,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力集中開裂[６].

    應力集中是指受力構件由于幾何形狀、外形尺寸發生突變,而引起局部范圍內應力顯著增大的現象.當受力時,材料表面及缺陷處存在的應力遠大于平均應力.淬火開裂與工件形狀有密切關系,工件上的缺口、棱角、尖角、溝槽和斷面急劇變化的部位,都是淬火應力集中的地方,是淬裂的危險部位.法蘭零件內孔邊緣沒有倒角,在調質處理后內孔邊緣尖角處開裂,就是因為該處應力集中,淬火過程中產生極強的表面拉應力,造成零件內孔邊緣拉

向應力開裂[７].

    零件在鍛造時未能充分揉鍛,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,材料的強度和韌性明顯降低.熱處理過程中,由于沒有采取規范的氣氛保護措施,零件表面形成了較嚴重的脫碳層,顯著降低了零件的表面強度,使內孔邊緣拉向開裂傾向更大[８].

３ 結論

    ４５鋼法蘭零件內孔開裂的主要原因是,未按規范要求進行機加工,內孔邊緣未倒角,致使該處應力集中,造成零件內孔拉向應力開裂.材料基體中的枝晶組織降低了材料的強度和韌性,表面脫碳層降低了材料的強度,使內孔邊緣拉向開裂更嚴重.

４ 建議

    對零件的原材料必須嚴格執行進貨檢驗制度,必須按照有關標準要求對材料的低倍組織及顯微組織進行檢測,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目,各項指標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,進一步打碎原始枝晶組織,使組織更加均勻細化,為后期熱處理的產品質量提供保障.

    嚴格按照規范要求進行熱處理前的機加工,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力集中開裂的傾向.

（文章來源：材料與測試網-理化實驗-物理分冊）