21CrMoV5-7鋼制螺母沖擊試驗(yàn)失敗分析

許永春、徐儉、穆延兵、鄧麗娟、時(shí)杭

21CrMoV5-7鋼是一種調(diào)質(zhì)鋼、耐熱結(jié)構(gòu)鋼，德國(guó)材料牌號(hào)，其代號(hào)為1.7709。該鋼具有良好的淬透性，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后可以獲得良好的強(qiáng)度、塑性及韌性配合。常用于制造螺栓、螺母等緊固件，最高使用溫度為540℃。螺母作為一種重要的結(jié)構(gòu)件，其失效故障將對(duì)產(chǎn)品造成極大的危害。本文對(duì)21CrMoV5-7鋼制螺母在沖擊試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)沖擊吸收能量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值的現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究，服役后將對(duì)產(chǎn)品造成極大的危害。

該批次螺母的原材料狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，其加工流程為：下料→磨光→車六方→車螺紋→表面處理等。由于廠家需求較急，原材料采購(gòu)后，直接投產(chǎn)，沒有進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)收檢驗(yàn)。在后續(xù)的產(chǎn)品加工過程中，原材料復(fù)驗(yàn)逐步進(jìn)行，在做沖擊試驗(yàn)時(shí)，沖擊吸收能量與標(biāo)準(zhǔn)值相差甚遠(yuǎn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。此時(shí)，螺母生產(chǎn)已到表面處理工序。

1.理化檢驗(yàn)

（1）化學(xué)成分分析 針對(duì)該批次螺母，截取一塊進(jìn)行電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP）化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。從表2數(shù)據(jù)中可以看出：硫元素含量接近上限，硅元素含量較多，但總體來說均符合原材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）顯微組織分析 對(duì)該批次螺母沖擊試樣進(jìn)行橫向與縱向顯微組織分析，如圖1所示。

圖1顯示了沖擊試樣的顯微組織特征，從圖中可以看出：圖1a為橫向100×夾雜物形貌，其夾雜物主要為顆粒狀氧化物夾雜，尺寸較小，依據(jù)GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定》可評(píng)為細(xì)系2級(jí)；圖1b為100×縱向夾雜物特征，其非金屬夾雜物，主要為硫化物夾雜，依據(jù)GB/T10561—2005，可評(píng)為細(xì)系2級(jí)；圖1c為橫向200×顯微組織形貌，顯微組織主要為珠光體與鐵素體，從顯微組織來看，該材料狀態(tài)為正火態(tài)；圖1d為500×橫向顯微組織，鐵素體呈塊狀，所占比例大致為70%，珠光體所占比例較小；圖1e為100×縱向顯微組織，組織表現(xiàn)為較為明顯的帶狀組織特征；圖1f為500×縱向顯微組織，由圖可見，鐵素體所占比例明顯大于橫向顯微組織，約占80%，進(jìn)而說明了該材料存在偏析現(xiàn)象。

表1 沖擊性能AKV試驗(yàn)結(jié)果 （J）

表2 化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

該沖擊試樣顯微組織為鐵素體與珠光體機(jī)械混合組織，原材料來料熱處理狀態(tài)為正火態(tài)。

（3）力學(xué)性能分析 對(duì)該批次螺母進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，其結(jié)果見表3。

從表3中可以看出：數(shù)據(jù)基本偏差不大，最大值與最小值相差8HV5，依據(jù)ISO18265—2013《金屬材料硬度換算表》，換算成抗拉強(qiáng)度為740～770MPa，與實(shí)際測(cè)得的抗拉強(qiáng)度750MPa相差不大。從硬度數(shù)據(jù)分析，該批次材料顯微組織不是退火態(tài)，常見的退火態(tài)抗拉強(qiáng)度為550MPa左右，硬度大致為170HV5。

2.綜合分析

21CrMoV5-7材料經(jīng)890～940℃淬火，淬火冷卻介質(zhì)為油，680～720℃回火后，其沖擊吸收能量為160J左右，正常的調(diào)質(zhì)態(tài)顯微組織及晶粒如圖2所示。

圖2顯示了經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的顯微組織及晶粒度，從圖中可見：圖2a中組織為回火索氏體，在回火過程中，過飽和碳化物從馬氏體基體中析出，形成鐵素體及合金碳化物（球狀），合金碳化物呈彌散分布，具有較高的韌性及強(qiáng)度；圖2b中的回火晶粒細(xì)小，依據(jù)GB/T6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》，其晶粒度可評(píng)為8級(jí)。

亞共析鋼正火一般選擇Ac3以上100～150℃，經(jīng)過一定的保溫時(shí)間，出爐空冷，冷卻速度較慢。正常的21CrMoV5-7高溫回火溫度為680～720℃，正火溫度相當(dāng)于更高溫度的回火，當(dāng)鋼以較高溫度回火時(shí)，緩慢通過450～650℃時(shí)，會(huì)發(fā)生緩冷脆化現(xiàn)象，即發(fā)生第二類回火脆性。第二類回火脆性可以使室溫沖擊韌度aK顯著下降，冷脆轉(zhuǎn)化溫度50%FATT顯著升高，斷口一般呈沿晶斷裂特征。

圖1 沖擊試樣顯微組織

綜上所述，該批次螺母原材料沖擊試驗(yàn)不合格，主要原因?yàn)椴牧蠣顟B(tài)為正火態(tài)而非調(diào)質(zhì)態(tài)。在正火冷卻過程中，發(fā)生緩冷脆化，造成第二類回火脆性產(chǎn)生；由于雜質(zhì)元素如P、S、Si等含量較高，并且與Ni、Cr、Mn等元素相互作用，當(dāng)雜質(zhì)元素含量一定時(shí)，Mn、Cr等元素含量越高，脆化越嚴(yán)重；又由于非金屬夾雜物含量較多，且呈線狀，共同造成了該批材料室溫沖擊性能不合格。

3.結(jié)語

該批次螺母原材料沖擊性能不合格的主要原因是，原材料非調(diào)質(zhì)處理，正火緩冷過程中，造成第二類回火脆性，嚴(yán)重降低了室溫沖擊韌度。由此提出兩點(diǎn)建議：

（1）加強(qiáng)原材料入廠質(zhì)量控制，對(duì)于特殊用途的材料，應(yīng)檢測(cè)合格后再行投產(chǎn)，以免由于原材料原因，造成產(chǎn)品報(bào)廢。

（2）對(duì)該批次螺母及剩余材料重新進(jìn)行淬火、高溫回火處理，待室溫沖擊性能合格后，方可放行。

圖2 調(diào)質(zhì)態(tài)顯微組織及晶粒度

表3 硬度