某20Cr2Ni4A鋼軸開裂原因分析

高學(xué)平

(1. 山東大學(xué) 材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250061;2. 山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 濟(jì)南 250061)

某20Cr2Ni4A鋼軸直徑220 mm，長1 200 mm，該軸前期經(jīng)正火處理，后進(jìn)行滲碳處理，初次滲碳后淬火，軸表面硬度達(dá)不到要求；此后，進(jìn)行了二次滲碳淬火處理，滲碳淬火+低溫回火后，表面硬度達(dá)到58 HRC以上，滿足要求；但該軸靜置4 d(天)后，出現(xiàn)開裂，如圖1所示。為找出該20Cr2Ni4A鋼軸的開裂原因，筆者對其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

圖1 開裂鋼軸的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the cracked steel shaft

由圖1開裂鋼軸的宏觀形貌可見，裂紋從軸的左側(cè)端部開始沿軸的徑向和軸向同時(shí)擴(kuò)展，為長而深的縱向裂紋。在鋼軸開裂處的左側(cè)取樣，如圖2所示，其中A區(qū)是人為打開斷口區(qū)域，其余位置為鋼軸的開裂斷口區(qū)域。取B區(qū)位置試樣進(jìn)行分析，如圖3所示。位置1為裂紋起始位置，位置2為軸的徑向中心位置，位置3為微裂紋沿徑向擴(kuò)展的終止位置，宏觀斷口形貌顯示該斷口為脆性斷裂斷口。

圖2 開裂鋼軸斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of the cracked steel shaft

1.2 化學(xué)成分分析

采用電火花直讀光譜儀對該鋼軸進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見該鋼軸的化學(xué)成分滿足GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對20Cr2Ni4A鋼的成分要求。

1.3 斷口微觀分析

對1-3試樣進(jìn)行掃描電鏡(SEM)觀察，如圖4所示。由圖4 a)和b)的低倍SEM形貌可見斷口有大量的凸起、凹坑、氣孔和二次裂紋缺陷，具有白點(diǎn)群特征，裂紋貫穿其中；圖4 c)可見凹坑底部呈現(xiàn)脆性解理斷裂和大量二次裂紋，還有大量微裂紋分布于疏松缺陷中，呈輻射狀，周邊凸起位置有大量韌窩，具有氫脆斷裂特點(diǎn)；圖4 d)可見斷口上有一個較大的氣孔，氣孔表面較光滑。由圖4可知，開裂鋼軸的斷口呈現(xiàn)白點(diǎn)氫脆斷裂特征。

圖3 斷口B區(qū)位置取樣示意圖Fig.3 Diagram of sampling of fracture zone B

1.4 金相檢驗(yàn)

表1 斷裂鋼軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the cracked steel shaft (mass fraction) %

圖4 1-3試樣的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of the sample 1-3: a) low magnification morphology 1; b) low magnification morphology 2; c) bottom of pit; d) blowhole

取1-1, 1-2, 2-1, 2-2試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，4個試樣經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后，用3%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液浸蝕，在金相顯微鏡下觀察分析，如圖5～圖7所示。對1-1試樣的顯微組織采用比較法，對照GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)》中各級別圖片，在級別最高處進(jìn)行顯微組織評定。

1.4.1 1-1試樣顯微組織評級

觀察1-1試樣垂直斷面方向的顯微組織，在距離滲碳層表面0.05～0.15 μm區(qū)域放大500×，采用比較法進(jìn)行馬氏體評級、殘留奧氏體評級以及滲碳層碳化物評級。結(jié)果馬氏體、殘留奧氏體為3級，其顯微組織形貌如圖5 a)所示；滲碳層碳化物為2級，表面未見明顯脫碳層，如圖5 b)所示。

1.4.2 1-2試樣顯微組織

觀察1-2試樣平行斷面方向的顯微組織形貌，如圖6所示。圖6 a)為帶狀組織，并沿該軸的軸向排列，根據(jù)GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》，該帶狀組織為3級。帶狀組織的高倍形貌如圖6 b)所示，可見顯微組織主要為回火馬氏體+部分貝氏體+殘余奧氏體，表面沿軸向分布的帶狀組織結(jié)構(gòu)不均勻，導(dǎo)致了該軸力學(xué)性能的各向異性。

圖5 1-1試樣顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of sample 1-1: a) martensite + austenite; b) cementite

圖6 1-2試樣顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of sample 1-2: a) low magnification; b) high magnification

1.4.3 心部組織

2-1試樣的顯微組織形貌如圖7所示，低倍形貌顯示其具有明顯帶狀組織特征，根據(jù)GB/T 13299—1991，帶狀組織為3級。高倍形貌顯示帶狀組織均由回火馬氏體+部分貝氏體+少量鐵素體構(gòu)成，組織結(jié)構(gòu)不均勻，具有明顯帶狀組織特征，如圖7 b)所示，馬氏體的存在說明該軸經(jīng)淬火后已基本淬透。

圖7 2-1試樣顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of sample 2-1: a) low magnification; b) high magnification

1.5 氣孔及夾雜物分析

1.5.1 軸表面位置1處

1-1試樣經(jīng)磨制、拋光、浸蝕后在光學(xué)顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)大量的白色亮點(diǎn)，如圖8 a)所示，經(jīng)SEM高倍放大后，可見其為聚集的氣泡群和夾雜物，如圖8 b)～d)所示。在圖8 d)中可見裂紋沿夾雜物從氣泡聚集處穿過，氣泡聚集處成為裂紋快速擴(kuò)展的通道。

圖8 1-1試樣組織形貌Fig.8 Morphology of structure of sample 1-1: a) low magnification morphology; b) high magnification SEM morphology; c) blowhole; d) inclusions and blowholes

圖9為1-2試樣斷面處高倍形貌，由圖9 a)可知，在第一類內(nèi)應(yīng)力作用下裂紋最先在表層的夾雜物處萌生，并擴(kuò)展；由圖9 b)可知，大量的二次裂紋也是在夾雜物和氣孔等缺陷處形成和擴(kuò)散，裂紋有沿晶和穿晶兩種擴(kuò)散途徑。

1.5.2 軸中心位置處

圖10為軸的中心位置處2-1和2-2試樣的高倍組織形貌，由圖10可知，軸心部同樣存在大量的氣孔聚集區(qū)和夾雜物，尤其是圖10 b)中部分夾雜物和氣孔連成了一串，割裂基體，大幅降低了基體的強(qiáng)度和韌性，使得該處在相同等級的淬火應(yīng)力下更易發(fā)生開裂[1]。

1.5.3 夾雜物成分分析

利用能譜(EDS)儀對開裂鋼軸的夾雜物進(jìn)行成分分析，分析位置如圖11所示，夾雜物成分見表2。由表2可知，開裂鋼軸的夾雜物成分主要為氧化鋁、氧化鎂和硅酸鹽等。

圖9 1-2試樣斷面處高倍形貌Fig.9 High magnification morphology of sample 1-2: a) inclusion; b) secondary crack

圖10 軸中心位置處的高倍組織形貌Fig.10 High magnification structure morphology at the center of the shaft: a) sample 2-1; b) sample 2-2

圖11 開裂鋼軸夾雜物的EDS分析位置Fig.11 EDS analysis positions of inclusions in the cracked steel shaft:a) location a; b) location b; c) location c; d) location d; e) location e; f) location f;

表2 開裂鋼軸夾雜物的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of inclusions in the cracked steel shaft (mass fraction) %

2 分析與討論

化學(xué)成分分析結(jié)果表明，該開裂鋼軸的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015 對20CrNi4A鋼的成分要求，該軸的開裂與化學(xué)成分無關(guān)。顯微組織中回火馬氏體、滲碳體、殘余奧氏體級別基本在合理范圍內(nèi)，但是無論是表層還是心部都存在高達(dá)3級的明顯條帶組織，鋼軸中不允許存在嚴(yán)重的帶狀組織。帶狀組織相鄰帶的顯微組織會有所不同，滲碳處理后，會進(jìn)一步導(dǎo)致滲碳層的硬度不均勻，條帶之間還會產(chǎn)生應(yīng)力集中，力學(xué)性能具有各向異性，使淬火畸變量變大，更易造成淬火開裂，帶狀組織一般應(yīng)控制在2級以下[2-4]。鋼軸心部顯微組織是回火馬氏體，這說明該軸已基本淬透，回火溫度較低，相同淬火溫度下，低回火溫度會導(dǎo)致軸中存在更大的殘余內(nèi)應(yīng)力。該軸的斷口為長而深的縱向宏觀裂紋，這是由第一類內(nèi)應(yīng)力所引起。縱向裂紋又稱軸向裂紋，其是由工件表面伸向心部的深度較大的裂紋，這種裂紋產(chǎn)生于軸件表面最大拉應(yīng)力處。該軸完全淬透了，在軸的表面產(chǎn)生了最大畸變應(yīng)力。鋼軸在滲碳前沒有進(jìn)行充分的正火處理，沒有消除軸表層和心部的帶狀組織；滲碳處理后沒有進(jìn)行高溫回火，沒有充分消除內(nèi)應(yīng)力；二次滲碳處理，進(jìn)一步提高了表層氫脆的概率。不合理的熱處理工藝使鋼軸產(chǎn)生了過大的內(nèi)應(yīng)力，是該軸發(fā)生靜置開裂的主要原因。

缺陷檢測結(jié)果顯示開裂鋼軸的表面存在大量的氣孔、夾雜等缺陷，這些氣孔在滲碳處理時(shí)易吸收大量的氫，導(dǎo)致工件產(chǎn)生氫脆[5-6]；而且該軸還進(jìn)行了二次滲碳淬火處理，會在軸中儲存更多的過飽和氫，進(jìn)一步增加了過飽和氫形成白點(diǎn)的幾率。軸表面夾雜物嚴(yán)重超標(biāo)，夾雜物處易引起應(yīng)力集中，成為裂紋源；裂紋萌生后，在靜置過程中，裂紋逐漸擴(kuò)展到一定程度后形成宏觀裂紋，導(dǎo)致該20Cr2Ni4A鋼軸發(fā)生靜置開裂[7]。

3 結(jié)論及建議

不合理的熱處理工藝使鋼軸產(chǎn)生了過大的內(nèi)應(yīng)力，在表層的夾雜物和氣孔等缺陷處產(chǎn)生了應(yīng)力集中。裂紋在缺陷處萌生并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鋼軸發(fā)生靜置開裂。

建議采用優(yōu)質(zhì)20Cr2Ni4A鋼為鋼軸原材料，熱處理前對鋼軸進(jìn)行檢驗(yàn)，查找缺陷。鋼軸在滲碳前進(jìn)行正火處理，充分消除帶狀組織；滲碳后進(jìn)行高溫回火，充分消除內(nèi)應(yīng)力。