顧 杰 周傳昆 閆 明 陸凱雷 顧志斌

（常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，常州 213025）

40Cr為常用合金結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的淬透性，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后可獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，以及良好的低溫沖擊韌性和低缺口敏感性，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、交通、航空、船舶、電力等行業(yè)[1]。某公司生產(chǎn)的厚度為35 mm的40Cr熱軋鋼板在調(diào)質(zhì)處理完成后，經(jīng)表面經(jīng)機(jī)加工后發(fā)現(xiàn)沿軋制方向的縱向裂紋，且開裂結(jié)構(gòu)件數(shù)量占比約5%。本文對失效樣品進(jìn)行開裂的原因分析，并提出針對性的改善措施。

1 生產(chǎn)工藝及研究方法

開裂樣品的材質(zhì)為40Cr熱軋板；尺寸為350 mm× 350 mm×35 mm，調(diào)質(zhì)處理后硬度要求為28～34 HRC， 成型工藝為：調(diào)質(zhì)處理→機(jī)加工→表面處理[2]。表面經(jīng)機(jī)加工后，在板厚中部位置發(fā)現(xiàn)縱向裂紋，如圖1所示。鑒于以上情況，本文通過對失效樣品進(jìn)行成分分析、低倍觀察、金相分析、硬度檢測及Z向抗拉強(qiáng)度測試等明確了其開裂的原因。

2 檢測與分析

2.1 成分分析

采用直讀光譜儀對開裂樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，符合《合金結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 3077— 2015）中40Cr鋼的元素含量要求。

表1 開裂樣品的化學(xué)成分

2.2 低倍觀察

在樣品的裂紋處線切割出金相試樣，如圖2所示，經(jīng)過打磨、拋光及酸蝕后，觀察其低倍形貌及裂紋形貌，分別如圖3和圖4所示。由圖3可以看出，板材中部存在寬度約為12 mm的偏析帶[3]，而偏析帶由兩條耐腐蝕的亮帶及中間的易腐蝕暗帶構(gòu)成；出現(xiàn)裂紋的暗帶區(qū)域由表面沿著偏析帶向內(nèi)部擴(kuò)展，深度約7.8 mm，尾部尖細(xì)。裂紋附近未見有脫碳或增碳層，而兩側(cè)存在8 μm厚的灰色氧化層[4]，為典型的淬火裂紋特征。由此初步推斷裂紋產(chǎn)生的原因為：由于淬火快速冷卻過程中產(chǎn)生的較大內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋萌生及擴(kuò)散，且回火過程中的氣體保護(hù)不當(dāng)進(jìn)一步導(dǎo)致了裂紋兩側(cè)的金屬發(fā)生高溫氧化，從而形成了氧化層。

2.3 金相分析

基體、亮帶及暗帶的組織形貌如圖5所示，其中基體為回火索氏體中分布著塊狀的鐵素體，亮帶為回火索氏體中分布著塊狀及條狀鐵素體，而暗帶為較為均勻的回火索氏體組織[5]。根據(jù)淬透性理論可知，正常調(diào)質(zhì)組織為由表及里回火索氏體中的鐵素體含量逐漸增加，而本樣品材料內(nèi)部的成分偏析缺陷導(dǎo)致了調(diào)質(zhì)組織呈現(xiàn)相反規(guī)律。試樣的晶粒度等級如圖6所示，可以看出其內(nèi)部的回火索氏體組織較為均勻且細(xì)小，晶粒度為9級，滿足技術(shù)要求。

2.4 硬度檢測

沿著試樣厚度方向選擇3條測試路徑，如圖7所示，由中心向表面依次進(jìn)行洛氏硬度測試，結(jié)果如圖8 所示?？梢钥闯?，試樣呈現(xiàn)出“表軟心硬”的特點，且亮帶與基體的硬度相近，低于暗帶區(qū)域的硬度（約3 HRC）。該試樣在界面處形成了硬度梯度，導(dǎo)致該區(qū)域成為易應(yīng)力集中的薄弱地帶[6-7]，結(jié)合金相組織分析，亮帶及基體中存在的塊狀及條狀鐵素體直接導(dǎo)致了區(qū)域內(nèi)硬度偏低。

2.5 Z向抗拉強(qiáng)度測試

測試時，需要在樣品的5個未開裂區(qū)域分別制備3個Z向（厚度方向）拉伸樣，因為板材厚度僅35 mm， 所以可以制備成M8×35 mm的非標(biāo)螺柱替代標(biāo)準(zhǔn)啞鈴狀試樣進(jìn)行拉伸試驗，拉伸效果如圖9所示。試樣的Z向抗拉強(qiáng)度值如圖10所示，其整體平均值較低、穩(wěn)定性較差。由圖9可以看出，斷裂發(fā)生于靠近亮帶界面的暗帶區(qū)域內(nèi)，與試樣開裂位置基本一致，且拉伸斷口平齊，無明顯縮頸現(xiàn)象，呈現(xiàn)顯著的脆性特征。由此可推測出，偏析導(dǎo)致的脆性界面區(qū)域成為了材料厚度方向的薄弱地帶。

3 結(jié)論

從文中的分析可以得出以下結(jié)論：第一，40Cr失效件成分符合國標(biāo)要求，但內(nèi)部存在亮帶和暗帶構(gòu)成的偏析帶原始缺陷；第二，存在嚴(yán)重偏析帶的40Cr熱軋板經(jīng)調(diào)制處理后，亮帶回火組織中存在的塊狀及條狀鐵素體導(dǎo)致該區(qū)域與暗帶區(qū)的機(jī)械性能差異顯著，使界面區(qū)域成為易應(yīng)力集中的薄弱地帶，從而在淬火冷卻應(yīng)力作用下，發(fā)生由表及里的縱向開裂。針對上述結(jié)論，現(xiàn)提出以下建議：一方面，將40Cr原材料的供貨狀態(tài)由熱軋態(tài)改為退火態(tài)，并嚴(yán)格控制內(nèi)部的偏析等級，使其滿足《合金結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 3077—2015） 中高級優(yōu)質(zhì)鋼的技術(shù)要求；另一方面，可以通過調(diào)整淬火介質(zhì)、優(yōu)化工藝參數(shù)以及采用分級淬火等手段，降低淬火過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。