45鋼是一種優質碳素鋼,經調質處理后該鋼具有較高的強度,是機械制造行業常用的材料[1-3]。某公司將厚度為60 mm的45鋼熱軋鋼板加工成內徑為900 mm、外徑為1 040 mm的鋼環。在840 ℃下對該零件保溫2 h,水淬后鋼環沿直徑方向斷裂為兩段,零件小段中心位置沿環向均勻斷裂為兩部分。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了鋼環斷裂的原因,以防止該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀形貌

鋼環沿軸向斷裂為兩部分,其中一小段部分沿環向中心又斷裂為兩層環形斷口,小段部分外圓弧長為485 mm,約占外圓總周長的1/6,鋼環和斷口的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：整體斷面呈現金屬光澤,心部斷面粗糙；斷面存在從心部向四周發散的放射狀條紋,說明裂紋起源于零件心部。距離鋼環外表面約5 mm厚的區域呈現細瓷狀,該區域為終斷區。 

圖  1  鋼環和斷口的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在斷裂的鋼環上截取試樣,采用電感耦合等離子體發射光譜儀對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：鋼環原材料的化學成分符合GB/T 711—2017《優質碳素結構鋼熱軋鋼板和鋼帶》對45鋼的要求。 

1.3   掃描電鏡(SEM)與能譜分析

采用掃描電子顯微鏡對鋼環軸向和環向斷面進行觀察,結果如圖2所示。由圖2可知：軸向斷口心部裂紋源區斷面上可見明顯的河流花樣,其為解理斷裂典型形貌[見圖2a）]；斷口外表面5 mm厚的細瓷區呈沿晶斷裂形貌[見圖2b）]；環向斷口存在大量非金屬夾雜物[見圖2c）]。采用能譜儀對夾雜物進行能譜分析,結果如圖3所示。由圖3可知,非金屬夾雜物成分主要為S元素和Mn元素,說明該夾雜物為硫化錳。 

圖  2  鋼環軸向和環向斷面試樣的SEM形貌

圖  3  非金屬夾雜物能譜分析結果

1.4   金相檢驗

在斷裂的鋼環上截取試樣,將試樣打磨、拋光后,采用5%（體積分數）的硝酸水溶液腐蝕試樣,將試樣置于光學顯微鏡上觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：腐蝕后試樣的顯微組織呈現明顯差別,外表面為馬氏體,心部為鐵素體+珠光體,可知外表面有深度約為5 mm的淬透層,這與斷口宏觀形貌一致；鋼環縱向截面存在A類夾雜物（硫化物）。根據GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》進行非金屬夾雜物評級,A類夾雜物評級為2級（見表2）,該結果與斷口上發現的大量硫化錳夾雜一致。 

圖  4  鋼環顯微組織形貌

1.5   洛氏硬度測試

采用洛氏硬度計對淬火后鋼環外表面和心部進行洛氏硬度測試,結果如表3所示。由表3可知：鋼環外表面硬度平均值為56 HRC,符合該熱處理工藝后的硬度水平[4],心部硬度平均值為30 HRC,可知零件表層硬度明顯大于心部硬度,說明鋼環存在心部未淬透現象,與顯微組織一致。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：斷裂鋼環的化學成分符合GB/T 711—2017要求。裂紋從心部起始,向四周發散擴展,源區斷面呈典型的解理斷裂特征,外部斷面呈沿晶斷裂特征,鋼環的斷裂性質屬于淬火斷裂。 

淬火過程會引起鋼環應力分布急劇變化,經過加熱、保溫和冷卻3個過程,鋼環會發生熱脹冷縮體積變化和金屬相變,由熱脹冷縮引起的內應力為熱應力,由金屬相變產生的內應力為組織應力[5-7]。由于材料表面及中心溫度的變化不同步,因此當材料表面及中心出現熱處理殘余拉應力,且其超過材料的抗拉強度時,材料將會斷裂,形成淬火裂紋[8]。 

鋼環在淬火過程中,其表面和心部的冷卻速率不同,在冷卻初期,表面冷卻速率快,材料發生馬氏體轉變,在淬透區形成馬氏體。鋼環心部溫度較高,冷卻速率較慢,心部發生珠光體轉變,形成鐵素體+珠光體。45鋼的淬透性差,鋼環存在明顯的淬透層與未淬透層的分界線,淬透深度只有5 mm,組織為硬度較高的馬氏體,心部為硬度偏低的鐵素體+珠光體,組織的差異為鋼環提供了組織應力,導致熱處理時淬火斷裂傾向增大。鋼環的尺寸較大,使用傳統840 ℃水淬的熱處理工藝必然使鋼環產生巨大熱應力,淬火冷卻后期,待鋼環心部冷卻、體積收縮,此時熱應力大于組織應力,鋼環表面受壓應力、心部受拉應力,且心部沿著零件環向分布大量的MnS夾雜物,在夾雜物與基體交界處產生應力集中,嚴重割裂基體的連續性,為微裂紋的萌生提供了條件[9-10],對心部斷裂起到促進作用。當心部拉應力超過其斷裂強度時,零件便會從心部開始斷裂,甚至出現環向斷裂觀象。 

3.   結論

（1） 該鋼環斷裂性質為熱處理過程中形成的淬火斷裂。 

（2） 較高的加熱溫度和水冷形成的淬火應力是鋼環斷裂的主要原因。 

（3） 零件原材料存在沿環向分布的MnS夾雜物,嚴重割裂了基體的連續性,對心部斷裂起到促進作用。

文章來源——材料與測試網