GCr15軸承鋼熱剪切開裂失效分析

■金林奎，袁裕光，趙建國，王春亮

1. 概述

（1）GCr15軸承鋼主要用于制造滾動軸承，是軸承專用鋼種，常用來制造工具、量具、機(jī)床軸類和冷作模具，最多用于軸承加工。軸承制品一般要承受高負(fù)載的表面接觸應(yīng)力，需要承受高強(qiáng)度的接觸疲勞，這就要求材料必須具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，而且必須具有較高的沖擊壽命、斷裂韌度和良好的抗彎性能。因此，軸承鋼的熱處理工藝要求必須規(guī)范，同時對原材料的質(zhì)量要求也很高，特別是對材料的非金屬夾雜物含量要求非常嚴(yán)格。

（2）直徑為90mm的GCr15軸承鋼，爐號為T213-8541、T213-8544、T213-8546、T213-8547。采用自動下料機(jī)床進(jìn)行加熱剪切，加熱溫度正常控制在1050～1100℃。在原材料熱剪切過程中，操作工發(fā)現(xiàn)料坯批量開裂。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，圓鋼開裂的部位大多集中在橫截面上，距中心部位的直徑方向呈縱向裂開，裂紋的開口處沿切向應(yīng)力向下翻卷開裂（見圖1）。

（3）原材料開裂的廢品率非常高，爐號為T213-8541的原材料廢品率達(dá)60%以上，其他爐號廢品率在20%～30%。該軸承鋼產(chǎn)品件屬于訂單生產(chǎn)，即使發(fā)現(xiàn)圓鋼熱剪切批量開裂，仍然要保持供貨量，所以將爐號為T213-8546的原材料用完，爐號為T213-8541的原材料廢品率最高，已停止使用，其他兩個爐號圓鋼試用部分材料。

GCr15原材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2. 化學(xué)成分分析

在生產(chǎn)加工的過程記錄中，追溯到該批產(chǎn)品的原材料入庫批次號，查找到原材料生產(chǎn)爐號，以及對應(yīng)的材料牌號和圓鋼直徑。截取原材料樣塊，尺寸為25mm×25mm×15mm（長×寬×厚），進(jìn)行化學(xué)成分檢驗，檢驗設(shè)備為Labs park5000精密直讀火花光譜儀。檢驗結(jié)果表明，化學(xué)成分（見附表）符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 熱剪切失效件實物

3. 金相檢驗

（1）金相組織觀察，熱剪切開裂的裂紋開口處有一條特別細(xì)長的條狀非金屬夾雜物。經(jīng)金相顯微鏡100倍下測量，該夾雜物的長度已經(jīng)超過100mm。在剪切應(yīng)力作用下，沿非金屬夾雜的端部形成脆性開裂。裂紋斷口的邊緣，顯示為曲折狀脆性斷裂的形貌特征（見圖2）。

（2）在裂紋斷口的附近，有部分區(qū)域呈現(xiàn)韌窩狀的韌性開裂特征。圖3斷口的韌窩從左邊開始，向右邊繼續(xù)向前擴(kuò)展，延伸至非金屬夾雜物存在的地方，開始形成脆性沿晶裂紋。在脆性斷口的底部，有明顯的硅酸鹽夾雜物（見圖3）。由于非金屬夾雜物存在，部分區(qū)域呈現(xiàn)粗大的沿晶斷口。斷口邊緣附近，可見明顯的夾雜物脫落形成的孔洞。在沿晶斷裂的剝落坑兩旁，有韌性開裂的撕裂棱形貌特征（見圖4）。

（3）材料的基體組織，被非金屬夾雜物分割成大小不等的塊狀。斷口邊緣的材料基體組織，在剪切應(yīng)力下即將被撕開的形態(tài)。這是由于非金屬夾雜物造成的典型沿晶開裂的特征（見圖5）。由于非金屬夾雜物的存在，使斷口處呈現(xiàn)多種形態(tài)，韌性開裂的韌窩旁邊，是脆性沿晶開裂的夾雜物脫落坑，緊接著又是韌性特征的撕裂棱形貌特征。斷口邊緣附近，依然存在較多塊狀非金屬夾雜物（見圖6）。

（4）隨著剪切速度的增加，部分區(qū)域呈現(xiàn)剪切唇的穿晶解理特征斷口。當(dāng)斷口迅速擴(kuò)展至非金屬夾雜物時，會形成脆性開裂的臺階，斷口越過脆性開裂的臺階繼續(xù)向前擴(kuò)展。斷口附近同樣存在非金屬夾雜物，以及顯示組織疏松的顯微孔隙（見圖7）。因非金屬夾雜物造成的脆性開裂臺階更加明顯，斷口擴(kuò)展至夾雜物臺階處向內(nèi)延伸形成二次裂紋，且在二次裂紋的底部有大塊狀硅酸鹽夾雜物（見圖8）。

（5）在非金屬夾雜物較嚴(yán)重的部位，可見大塊狀及斷續(xù)條狀分布的非金屬夾雜物，使斷口呈現(xiàn)曲折的脆性斷口。斷口明顯可見非金屬夾雜物及粗大晶粒的脫落坑，斷口附近存在顯微孔隙（見圖9）。在材料基體組織中，觀察到較為嚴(yán)重的顯微孔隙，這種缺陷組織是組織疏松的典型特征，它的存在會割斷基體的連續(xù)性，極易使材料形成應(yīng)力集中開裂（見圖10）。

圖2 裂紋源夾雜物（100×）

圖3 韌窩斷口（100×）

圖4 沿晶斷口（100×）

圖5 沿晶+撕裂棱（100×）

圖6 韌窩+沿晶+撕裂棱（100×）

圖7 夾雜物開裂處（100×）

圖8 夾雜物開裂處（100×）

（6）對材料組織中的非金屬夾雜物進(jìn)行檢驗，檢驗部位分布大量的硫化物和硅酸鹽夾雜物。硫化物細(xì)系總長度達(dá)100mm，夾雜物要求含量不允許超過2.5級（A類細(xì)系2.5級，總長度不大于65mm），見圖11。硅酸鹽粗系長度達(dá)83mm，夾雜物要求含量不允許超過0.5級（C類粗系0.5級長度不大于18mm）。實測夾雜物級別遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)要求（見圖12）。

（7）熱剪切過程中，由于透熱爐加熱的高溫氧化，斷口表層的脫碳層較為嚴(yán)重。在表面脫碳層中，明顯可見因非金屬夾雜物造成的沿晶開裂二次裂紋（見圖13）。由于透熱爐加熱的時間短、溫度低，組織顯示為偽共析珠光體＋細(xì)網(wǎng)狀碳化物，組織晶粒細(xì)小均勻。組織中明顯可見非金屬夾雜物脫落的粗大孔洞。由于剪切應(yīng)力的作用，在夾雜物孔洞的邊緣，已經(jīng)形成應(yīng)力集中開裂的顯微裂紋（見圖14）。

4. 結(jié)論分析

（1）原材料的非金屬夾雜物和顯微孔隙嚴(yán)重超標(biāo)，特別是A類硫化物夾雜和C類硅酸鹽夾雜，已經(jīng)明顯超過國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18254—2002《高碳鉻軸承鋼》的技術(shù)要求范圍。

（2）硫化物夾雜的存在，是由于材料自身的雜質(zhì)元素未能得到凈化。硅酸鹽夾雜是由于鋼液在造渣過程中沒有完全清除。非金屬夾雜物脆性大且強(qiáng)度低，與金屬基體組織的膨脹系數(shù)差別很大，因此非金屬夾雜物的邊緣應(yīng)力分布極不均勻。非金屬夾雜物的存在，破壞了金屬材料基體的連續(xù)性，使材料組織的脆性增大，韌性降低。

（3）顯微孔隙是鋼錠擴(kuò)散退火的組織均勻化處理后，再經(jīng)過軋制而形成的。組織均勻化的擴(kuò)散退火，使液析區(qū)的碳化物回溶，液固兩相的膨脹系數(shù)不同，破壞了兩相區(qū)結(jié)合的牢固性，軋制變形的應(yīng)力使兩相區(qū)組織撕裂成顯微孔隙。

（4）條狀分布的非金屬夾雜物，以及呈鏈狀分布的顯微孔隙，分割了材料基體組織，使基體組織的強(qiáng)度顯著降低。在熱剪切應(yīng)力的作用下，沿非金屬夾雜物及顯微孔隙的端部及邊緣形成裂紋源，然后隨著外加應(yīng)力使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致工件開裂失效。

圖9 夾雜物剝落坑（100×）

圖10 原材料顯微孔隙（100×）

圖11 硫化物夾雜（100×）

圖12 硅酸鹽夾雜（100×）

圖13 夾雜物二次裂紋（100×）

圖14 夾雜物脫落坑（100×）