H13外筒開裂失效分析

■ 彭元飛，王晨

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我公司最近有一件材質為H13（4Cr5MoSiV1），外徑為1460mm、內徑為700mm的外筒，在熱裝完成后機加工過程中發生多處開裂，裂紋主要沿縱向開裂，也有沿周向分布的次裂紋，其開裂形貌如圖1~圖4所示。

圖1 外筒開裂形貌

圖2 外筒端面開裂形貌

圖3 外筒端面開裂形貌

圖4 外筒端面開裂形貌

該外筒的工藝過程為：鑄造→鍛造→調質→淬火→兩次回火→熱裝→機加工，其中淬火溫度：1050℃；回火溫度：第一次580℃，第二次600℃。熱裝溫度要求300℃，實際溫度為近500℃。內外筒的配合過盈量符合標準要求。

為分析外筒開裂的原因，現檢驗分析如下：

1.化學成分分析

采用ARC-MET8000便攜式全譜直讀光譜儀，對開裂外筒試樣進行化學成分分析，結果如表1所示，可見該外筒的化學成分符合標準要求。

2.硬度檢驗

通過對實體硬度檢測，其平均硬度為55~56HRC。經調查，該件淬火、回火后加工前的硬度為50～52HRC，而技術要求為48~52HRC。工件實際硬度比圖樣要求的硬度略高。

3.性能試驗

為進一步驗證性能指標，在開裂的工件上切取試樣，其試驗結果如表2所示。

從試驗結果表明，強度指標過高，而塑、韌性指標過低。

4.斷口分析

開裂外筒的斷口宏觀特征為斷面較為平整、光滑，無明顯的塑性變形痕跡，屬于脆性斷裂。同時在斷口上發現下列現象，斷面上分布著比較光滑的小亮點，有金屬光澤，呈銀灰色，這是典型的萘狀斷口，如圖5所示。

依據相關資料，產生萘狀斷口的主要原因：

（1）在鍛造過程中終鍛溫度過高，或鍛件過熱且變形量較小易產生萘狀斷口。

（2）由于熱處理工藝中連續兩次淬火，中間未經退火也容易產生萘狀斷口。

出現這種斷口，材料的力學性能差，并且沖擊韌度也明顯降低。

圖5 外筒斷口宏觀形貌

5.組織檢驗

在開裂的工件上取樣，經過酸蝕，對組織檢驗分析，其組織為板條狀馬氏體+殘留奧氏體+顆粒狀碳化物。其中板條馬氏體存在色澤上的差異，有深灰色的板條馬氏體和淺白色的馬氏體，淺白色馬氏體是由于殘留奧氏體轉變形成的，疑為未回火馬氏體或其他非馬氏體組織，導致這一現象的原因是殘留奧氏體量過多，回火不充分。總之，板條馬氏體比較粗大（見圖6），根據JB/T8420—1996《熱作模具鋼顯微組織評級》評定，馬氏體針標準級別為≥5級。

圖6 粗大的板條馬氏體+殘留奧氏體+碳化物（500×）

表1 外筒的化學成分（質量分數） （%）

表2 力學性能結果

6.綜合分析

綜上所述，外筒的化學成分各元素含量均滿足標準要求；工件的強度過高，而塑性、韌性過低，硬度較高；在顯微組織檢驗中發現了粗大的板條馬氏體和非回火馬氏體；斷口宏觀形貌顯示該外筒開裂具有脆性開裂特征。因此，該H13外筒開裂的原因可以歸納為以下幾點：

（1）鍛造缺陷。由于萘狀斷口的產生，這是因為在鍛造中終鍛溫度過高形成的過熱現象，導致馬氏體粗大的原因之一。出現這種斷口，材料的力學性能差，并且沖擊韌度也明顯降低。

（2）回火不足。由于外筒回火兩次，組織中存在較多的殘留奧氏體，在不斷地轉變成馬氏體，所以一次、二次回火很難較大幅度地消除淬火后材料內部殘余應力。

（3）如果加熱溫度過高，或保溫時間過長，也是形成粗大板條狀馬氏體的原因，使硬度增高，脆性增大，因此存在較大的內應力。

7.預防措施

（1）改進鍛造工藝，避免鍛造缺陷的產生。

（2）加強熱處理工藝的執行，充分回火，細化晶粒，減少內應力。