45 鋼墊塊開裂失效機制分析

閆 明，陸凱雷,周傳昆，顧 杰，顧志斌

（常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇常州 213025）

0 前言

墊塊是電力電子產品中的一個重要部件，在實際應用中主要承受壓應力，需要具備一定的力學性能。45 鋼具有較好的強度、塑性和韌性等力學性能，調制處理后，材料具有更好的機械加工性能，適合加工成各種零部件，是我國機械行業使用最多的優質碳素結構鋼之一[1-3]。某公司選用45 鋼作為原材料加工墊塊，成型工藝流程為：棒狀原材料—粗加工—熱處理—精加工—表面處理，精加工后發現墊塊中心表面至內部存在不同程度開裂，嚴重影響了產品的使用性能。本文通過宏觀觀察、顯微金相觀察、成分檢測及硬度測量等方法對45 鋼墊塊的失效機制進行分析。

1 試驗結果與分析

1.1 宏觀形貌觀察

目視對樣品進行宏觀觀察，墊塊外觀及裂紋位置如圖1～2 所示，裂紋主要分布于上下表面中心區域。

圖1 上表面宏觀形貌

圖2 下表面宏觀形貌

利用體式顯微鏡觀察到裂紋在樣品表面呈斷續、無明顯方向性分布，走勢蜿蜒、呈“蠕蟲狀”，如圖3 所示。

圖3 試樣表面裂紋低倍形貌

1.2 化學成分檢測

化學成分檢測樣品取自開裂的45 鋼墊塊，采用火花直讀光譜儀對樣品進行成分分析，測得主要化學元素占比如表1 所示，同時列出GB/T699-2015《優質碳素結構鋼》中對45 鋼的成分要求，結果表明，發生開裂失效的45 鋼墊塊化學成分符合標準要求。

表1 開裂墊塊的化學成分 w/%

1.3 硬度檢測

45 鋼墊塊正常成型工藝流程中包含調質處理，熱處理參數為：加熱淬火溫度830℃，水冷，高溫回火溫度510℃，空冷，理論設計硬度為28～34HRC，故采用硬度計對樣品硬度進行檢測以初步判斷熱處理質量，檢測位置分別為上表面、芯部和下表面，硬度檢測結果如表2 所示，通過數據可見表面硬度僅個別數值超過設計要求下限（28HRC），芯部硬度由于未淬透，硬度低于設計要求下限，調質處理后工件硬度整體偏低。

表2 開裂墊塊的硬度

1.4 顯微組織分析

在墊塊開裂處沿工件軸線方向剖開，經拋光后觀察樣品內部裂紋擴展情況，如圖4 所示，可見樣品上下底面至內部共有三條裂紋與外界連通，上表面裂紋深度約17mm，下表面兩條裂紋深度約10mm、0.8mm，檢測面內有多條內部裂紋，沿軋制方向可見多條白色亮帶，如圖中虛線及箭頭所指。

圖4 內部裂紋擴展情況

近表面外部裂紋處拋光態形貌如圖5 所示，可見裂紋走勢蜿蜒，裂紋兩側可見較薄的灰色氧化層覆蓋，近裂紋兩側基體可見夾雜物分布（圖中箭頭所示）。

圖5 外部裂紋形貌（拋光態）

內部開裂處拋光態形貌如圖6 所示，可見開裂呈斷續狀，裂紋兩側可見大量硫化物、硅酸鹽及氧化鋁類夾雜物。

圖6 內部裂紋形貌（拋光態）

使用4%硝酸酒精溶液對外部裂紋和內部裂紋區域進行腐蝕，金相組織主要為鐵素體和回火索氏體，芯部相比上下表面鐵素體含量較多，側面證實了芯部淬火效果不好，故整體硬度較低[4]。金相顯微形貌如圖7～8 所示，外部裂紋兩側存在輕微脫碳現象，內部裂紋兩側未見脫碳和氧化痕跡。

圖7 外部裂紋金相組織

對裂紋兩側的白亮區域進行觀察（圖9～10）可見該處存在組織偏析情況，并可見大量夾雜物（圖中虛線框內），局部可見沿夾雜物開裂現象。

圖8 內部裂紋金相組織

圖9 白亮區域金相組織

圖10 沿夾雜物開裂形貌

1.5 綜合分析

沿軋制方向存在多條白色亮帶為組織偏析，存在一定程度的脫碳現象，導致鐵素體相較于其他區域含量增多，裂紋兩側可見灰色較薄氧化物覆蓋，說明此類與表面連通的裂紋在回火前就已存在，氧化層為回火過程中有氧化氣氛進入導致，內部裂紋兩側可見大量硫化物、硅酸鹽和氧化鋁類夾雜物，并發現伴隨沿夾雜物開裂的裂紋，夾雜物的存在導致墊塊在淬火后發生開裂[5，6]。

2 結論與建議

（1）樣品材質成分符合國標GB/T699-2015 中對45 鋼的元素含量要求；樣品由于未淬透導致表層至心部硬度低于設計要求下限。

（2）墊塊上的裂紋屬于淬火裂紋，開裂部位金相檢測面低倍組織顯示，裂紋兩側可見多處斷續狀白色條帶，存在脫碳現象，并可見塊狀、條狀夾雜物分布，此類夾雜物破壞了基體連續性的同時造成了局部的應力集中，增加了材料的淬火開裂傾向，是45 鋼墊塊開裂的主要原因[7]。

（3）為保證產品質量，需要調質處理的45 鋼應當嚴格控制夾雜物含量，防止產生淬火裂紋，從而避免廢件，提高成品率[8，9]。