9Mn2CrV磨具鋼裂紋成因分析

牛云鵬++許光明++王浩宇++于振華

摘 要：為了探明淬火條件是否是9Mn2CrV磨具鋼材料形成裂紋的主要原因，實驗得出形成裂紋的主要誘因有2個，材料內部存在著大量孔洞；在材料內部產生了局部部分脫碳現象。

關鍵詞：磨具鋼；裂紋；淬火；脫碳

中圖分類號：S22 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170931024

1 材料的履歷

材料名稱：9Mn2CrV；

供貨狀態：軋制后750℃球化退火；

供貨尺寸：65mm×250mm×6000mm；

供貨批號：08203013085；

熱處理加熱方式：鹽浴加熱；

淬火溫度：810℃；

淬火介質：德國好富頓K淬火油（HOUGHTO-QUENCH K）；

回火溫度：180℃；

工件型號、圖號和規格：MC593382、G103-302、65mm×250mm×2040mm；

發現裂紋的工況：2008年8月份始，曾多次觀察到回火后的工件在磨削過程中材料中出現方向各異、長短不等的裂紋。

2 實驗方法

A.晶相照片

實驗裝置：GPV-2A金相變頻調速拋光機，Unimet union 8321顯微鏡；

研磨砂紙：400、600、800、1000、1500號水磨砂紙；

拋光膏粒度：1微米拋光膏；

蝕刻試劑：4%硝酸酒精，酒精純度大于99%；

照片像素：1600×1200；

具體操作：將試樣固定在試樣夾中，觀察面朝下；把試樣放在玻璃板上（打磨面朝下），觀察并調整試樣與玻璃板之間保持水平。隨后，用水磨砂紙打磨試樣，按砂紙序號從400～1500由低到高逐次打磨，使表面達到用肉眼看不出磨痕，再用1μm的金剛石拋光膏在拋光布上拋光，直至細小磨痕全部拋掉；用酒精凈化試樣表面并熱吹風吹干。試樣制備完成后，首先在光學顯微鏡下進行觀察，并拍攝相應特征部位的金相照片。之后，根據需求再用4%的硝酸酒精，蝕刻試樣表面2s，并用酒精將試樣表面擦洗干凈，隨后熱吹風吹干，觀察并拍攝試樣蝕刻后的金相照片。

B.顯微硬度

實驗裝置：HVS-5數顯小負荷維氏顯微硬度計；

載 荷：200gf；

加載時間：35s；

具體操作：拍過金相照片之后，為了確認裂紋表面是否出現脫碳現象，通過顯微硬度測定進行了驗證。在400倍顯微鏡下觀察試樣表面，確定打硬度部位，然后自動加載200gf保持35s，標定壓痕對角線長度，打印出硬度值。一共測6點，緊靠裂紋處，離裂紋50μm和75μm處，離裂紋遠處各2點，并比較各處硬度的高低。

3 實驗數據

試樣經過打磨、拋光之后，在100倍的顯微鏡下觀察試樣表面形貌，在同一視場內觀察到了2條裂紋的尾部。如圖1所示，可以看到2條裂紋尾部的輪廓均比較柔和且無規則，因此可以推斷裂紋生成的主要原因不應當是淬火條件，這是因為由于淬火條件直接造成的裂紋其裂紋尾部的輪廓一般比較剛直并具有一定的規則。

圖2和圖3所示為在400倍下觀察到的裂紋近旁不同部位出現的網點狀氧化微觀形貌，如圖2、3所示，在裂紋內側的不同部位均出現了程度不盡相同的網點狀氧化組織，網點狀組織數量不是太多說明其氧化程度尚輕。網點狀氧化組織表明裂紋在淬火前已經存在于材料之中，后在淬火加熱過程中發生高溫氧化所致，因為經過較低溫度回火處理的裂紋不會出現網點狀氧化組織。另外，由圖2、3還可看到，裂紋的形狀是不規則的且裂紋中間還夾雜有許多白色物質。由此可以推斷，裂紋主要不是淬火條件所致，因為由于淬火條件不當導致的裂紋其形狀是規則的。

另外，在200倍下，通過顯微鏡在試樣的不同部位觀察到了材料中存在著呈線性分布的組織缺陷，其結果分別示于圖4和圖5。通過圖4和圖5，可以看到組織中呈線性分布的組織缺陷主要為大小不一且部分已經相互貫通的扁平狀孔洞，這些孔洞具有線性呼應的趨勢，如圖中紅線所示。可以推定，由于原材料中存在著雜質或缺陷，在試樣拋光的過程中，其中的夾雜物被拋掉，從而形成孔洞。一般認為，這些組織缺陷是在軋制過程中由于軋制溫度偏低所致。這些呈線性分布的組織缺陷在淬火過程中，由于熱熱脹的原因在缺陷尖端部位將會產生較大的張應力，在組織內部擴張，這是裂紋形成的主要誘因之一。

為了觀察材料內部的微觀組織和分布狀態，利用4%硝酸酒精對試樣進行了蝕刻，并在400倍下通過顯微鏡進行了觀察，其結果分別示于圖6和圖7。從圖6和圖7可以看出，雖然試樣的觀察部位不同，但微觀組織分布卻類似，距裂紋較遠處組織主要為回火馬氏體+碳化物+殘余奧氏體，在裂紋附近其組織主要為回火馬氏體+殘余奧氏體，碳化物存在較少，這說明裂紋附近存在脫碳現象。根據經驗，由于脫碳層中含碳量降低，其淬火馬氏體比其相鄰的內層馬氏體比容小，因而受拉應力。若屬于完全脫碳，即表層變成了鐵素體，它塑性好，易延伸變形，淬火時脫碳層鐵素體不轉變，它包裹著內部硬而脆的馬氏體，盡管受拉應力，但能夠變形松弛應力，故不易形成網狀開裂。如果脫碳不徹底，即部分脫碳狀態，脫碳層的含碳量僅比本體稍低，淬火時仍變為硬而脆的馬氏體，且比容較主體小，將受到相當高的拉應力，因此就容易產生網狀開裂。另外，在蝕刻后的樣品中也觀察到了局部孔洞，其形成機理應與前邊的分析相同。

為進一步證實裂紋近旁出現了脫碳行為，利用維氏顯微硬度計在裂紋一側進行了硬度檢測，其硬度測定結果示于表1，硬度壓痕分別示于圖8和圖9。

參考表1和圖8、圖9可以看出，在裂紋近旁的1號和2號部位（如圖8所示），其壓痕（黑色菱形）較大，硬度值分別為Hv0.2475和Hv0.2488；在距離裂紋大約50μm和75μm處的3號和4號部位（如圖8所示），其壓痕較小，硬度值分別為Hv0.2625和Hv0.2622；在距離裂紋大約200μm以外的5號和6號部位（如圖9所示），其壓痕大小介于前兩者之間，硬度值分別為Hv0.2520和Hv0.2539。根據以上分析可以發現裂紋近旁處的硬度較主體硬度低，而距裂紋50～75μm左右處的硬度較主體硬度高，這說明在裂紋邊緣處存在著脫碳現象，而距裂紋50～75μm左右處的硬度值最大，是由于馬氏體形成后其溫度較高，過飽和固溶的碳進行了短距離的擴散，發生偏聚現象，使得該部位含碳量區域性增加，因此其硬度比主體硬度高。在金相圖片8中，脫碳區顯示較暗的顏色，圖中的白亮點狀物是碳化物，可以看出在緊靠裂紋邊緣部位碳化物相對較少。

通過深度研磨后，在材料的另一層面上又觀察到一條比較細小的裂紋，其金相照片如圖10所示。通過圖10可以看出，該裂紋尚未完全貫通，其輪廓走向比較柔和。這一結果說明，在材料的不同層面上均有可能存在著產生裂紋的誘因。

4 結論

測定分析結果顯示，淬火條件不是該材料形成裂紋的主要原因，形成裂紋的主要誘因有2個，材料內部存在著大量孔洞；在材料內部產生了局部部分脫碳現象。由于樣品中存在較多的雜質等組織缺陷，淬火時雜質揮發并形成孔洞，孔洞尖端部位受到較大的張應力，隨著張應力的不斷增加而形成裂紋并逐漸擴展致使短裂紋之間相互貫通；當材料內部存在局部部分脫碳時，脫碳層的含碳量僅比主體稍低，淬火時仍變為硬而脆的馬氏體，且比容較主體小，將受到相當高的拉應力，因此就容易產生網狀裂紋；通過觀察可以確認，在材料的不同層面上均有可能存在著產生裂紋的誘因。

參考文獻

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