藺立元，劉 哲，桑學(xué)科，張 青，郭衛(wèi)民，劉國強(qiáng)，閻懷英，劉 瓏，丁 寧

（1.金雷科技股份公司，山東 濟(jì)南 271105；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）山東省分析測試中心，山東 濟(jì)南 250014；3.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）山東省材料失效分析與安全評估工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014；4.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

1 引言

大型鍛件是重大裝備中的關(guān)鍵零部件，在航空航天、風(fēng)電能源、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1-3]。大型軸類鍛件是一類典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)，是保證機(jī)械裝備正常工作的重要組成部分[4，5]。大型軸類鍛件一般由鋼錠直接鍛造而成，鍛件的質(zhì)量越大，鋼錠的噸位也越大。由于大型鋼錠的冶煉純凈度控制難度較大，這使得大型軸類鍛件在加工生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)各種各樣的問題，其中熱處理過程中出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象比較普遍[6]。探明大型軸類鍛件熱處理過程中開裂的原因?qū)τ陬A(yù)防同類事故的發(fā)生具有重要意義。

某型號大型軸類鍛件在淬火過程后發(fā)現(xiàn)中心孔內(nèi)壁出現(xiàn)了軸向裂紋。該大型軸類鍛件總長為3.85m（如圖1a 所示），成階梯狀中空結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為定制合金鋼。該鍛件由大型鋼錠進(jìn)行鍛造沖孔，隨后實(shí)施退火處理和粗加工，然后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，即先在840℃下加熱，淬火水冷15min 后，在540℃回火保溫16h。在淬火過程完成后即發(fā)現(xiàn)了中心孔內(nèi)壁出現(xiàn)軸向裂紋（如圖1b 所示），為防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，又按照設(shè)計(jì)工藝方案進(jìn)行了回火。為確定該大型軸類鍛件的開裂原因，對其進(jìn)行了宏觀及微觀檢查與分析。

圖1 大型軸類鍛件結(jié)構(gòu)示意圖及內(nèi)孔裂紋

2 試驗(yàn)過程與分析

2.1 大型軸類鍛件裂紋的宏觀檢查

該大型軸類鍛件內(nèi)孔裂紋沿軸向分布，小頭端裂紋延伸至端面。將內(nèi)孔軸向裂紋進(jìn)行切割取樣后，用肉眼和低倍放大鏡進(jìn)行了仔細(xì)檢查。裂紋斷口宏觀形貌如圖2 所示，斷口表面及周圍無明顯塑性變形，可見明顯的紅褐色腐蝕產(chǎn)物覆蓋以及代表裂紋擴(kuò)展方向的棱線。裂紋的起裂位置位于圖2 中黃色橢圓標(biāo)記的區(qū)域，該區(qū)域?yàn)槲挥阱懠行目變?nèi)壁處的長條狀面源，且該位置距離鍛件小頭端的端面約200 mm。裂紋由該位置起裂，沿軸向擴(kuò)展，同時裂紋沿徑由中心孔內(nèi)壁向材料內(nèi)部擴(kuò)展，擴(kuò)展方向如黃色箭頭所示。

圖2 中心孔內(nèi)壁裂紋斷口宏觀照片

2.2 化學(xué)成分分析

從開裂的大型軸類鍛件上截取試樣，制成符合成分分析的樣品，用X 射線熒光光譜儀和高頻紅外碳硫分析儀進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表1。分析表明，該軸的化學(xué)成分C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo 元素均符合標(biāo)準(zhǔn)中定制材質(zhì)的成分要求。

表1 大型軸類鍛件母材的化學(xué)成分

2.3 中心孔內(nèi)壁裂紋斷口的微觀檢查

將中心孔內(nèi)壁的裂紋斷口進(jìn)行切割取樣后，放入掃描電子顯微鏡（SEM），對其進(jìn)行仔細(xì)檢查。圖3為裂紋斷口表面的微觀形貌。由圖可知，裂紋斷口的微觀形貌以穿晶特征為主，伴有少量撕裂棱，屬于脆性開裂。

圖3 中心孔內(nèi)壁裂紋的斷口微觀形貌

2.4 低倍檢驗(yàn)

從開裂斷口裂紋源附近截取了鍛件的縱截面、橫截面低倍檢驗(yàn)試樣，將低倍檢驗(yàn)試樣在約70℃恒溫水浴鍋中用1:1（容積比）工業(yè)鹽酸水溶液浸蝕18 min，進(jìn)行低倍組織缺陷檢驗(yàn)。

在縱截面酸浸低倍試片上發(fā)現(xiàn)帶狀偏析缺陷，該類缺陷在橫截面酸浸低倍試片上的表現(xiàn)為一般斑點(diǎn)狀偏析缺陷，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1979-2001 結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖，評級為2 級，如圖4 所示。

圖4 低倍組織缺陷宏觀形貌

2.5 金相檢驗(yàn)

金相檢驗(yàn)是檢查材料冶煉、加工和熱處理后材料組織和缺陷狀況的有效方法。為檢查開裂軸類鍛件的金相組織，從開裂斷口裂紋源處截取了材料的金相試樣，經(jīng)磨制、拋光后，用3%（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸酒精溶液浸蝕，利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察。

裂紋源處縱截面有多條帶狀的偏析組織（如圖5 中白色箭頭所示），沿軸向分布，位于孔內(nèi)壁亞表面，在偏析組織內(nèi)有條狀的A 類硫化物類夾雜物（如圖5 中紅色箭頭所示）和規(guī)則形狀的桔紅色TiN 夾雜物（如圖5 中紫色箭頭所示），基體材料的金相組織為回火索氏體。

圖5 裂紋源處縱截面金相組織

裂紋源處橫截面有斑點(diǎn)狀的偏析組織（如圖6中白色箭頭所示），在偏析組織內(nèi)有規(guī)則形狀的桔紅色TiN 夾雜物（如圖6 中紫色箭頭所示），金相組織為回火索氏體。

圖6 裂紋源處橫截面金相組織

利用能量色散X 射線譜（EDS）對鍛件材料正常組織及偏析組織進(jìn)行微區(qū)成分分析發(fā)現(xiàn)，偏析組織中特定合金元素（主要為Cr、Mn、Mo 以及V）的含量遠(yuǎn)高于正常組織中的相應(yīng)元素的含量（如圖7 所示），這使得偏析組織的硬度偏高。

圖7 偏析區(qū)域的微觀形貌及化學(xué)成分

3 分析與討論

該大型軸類鍛件的裂紋由距小軸端200mm 左右的中心孔內(nèi)壁位置處起裂。分析結(jié)果表明，該裂紋的起始位置存在明顯的偏析缺陷，且偏析區(qū)域呈條帶狀分布，位于中心孔內(nèi)壁亞表面，形成裂紋源。據(jù)研究表明，亞表面缺陷對于結(jié)構(gòu)件性能的影響是最大的[7，8]。該位置偏析缺陷的存在導(dǎo)致熱處理過程中局部應(yīng)力集中的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致主軸從該位置起裂。

金屬合金中各部分化學(xué)成份的不均勻、不一致形成區(qū)域偏析，是冶煉過程中常見的缺陷，一般容易產(chǎn)生偏析的元素均集中在鋼錠最后凝固部分。在本案例中，裂紋源處偏析缺陷內(nèi)部特定合金元素（主要為Cr、Mn、Mo 及V）的含量遠(yuǎn)高于基體中的相應(yīng)元素的含量。這些元素的偏析給鋼的熱處理過程帶來多方面影響。合金元素含量增加會使材料的馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms）降低，增大材料的淬裂傾向；合金元素含量的差異會加大淬火時相變的不等時性，因而增加內(nèi)應(yīng)力；加之合金元素強(qiáng)化奧氏體，難以塑性變形來松弛應(yīng)力，因而增加熱處理應(yīng)力，并增加淬裂的傾向。

此外，該軸類鍛件由小軸端近端面處（距端面約200mm）起裂，小軸端靠近大型鋼錠的冒口端，雖然在加工過程中冒口端的材料會被去除，但該區(qū)域可能存在比鋼錠其他位置更為嚴(yán)重的缺陷分布，使得開裂現(xiàn)象易在此處發(fā)生。

4 結(jié)論

該大型軸類鍛件的裂紋是由小軸端中心孔內(nèi)壁偏析缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力集中導(dǎo)致的淬火裂紋。建議改善冶煉條件，消除或減輕區(qū)域偏析；評估大型軸類鍛件的偏析程度，適時調(diào)整熱處理工藝。