40CrNiMo小轴热处理后开裂失效分析

张海盟，廖庚峰，傅 侨

（中航工业洪都，江西 南昌330024）

0 引 言

40CrNiMo钢是一种优质合金钢，具有较高强度与韧性、良好淬透性以及抗过热的稳定性，在调质状态下，适于制造强度高、界面大的重要件。

40CrNiMo小轴（图1）直径为φ38.4，小轴热处理采用IPSEN多用途气氛保护炉，工艺方法：870℃× 55min正火、870℃×55min淬火（油冷）、500℃×100min回火，热处理后机械性能σb≥1170MPa。40CrNiMo小轴热处理后进行车削加工时，发现有部分零件端头出现中心裂纹（如图2）。针对此零件裂纹，通过对其化学成分、硬度、显微组织及断口形貌的检测和分析，确定了失效原因，并提出了改进建议。

1 检 测

1.1 化学成分分析和硬度测试

图1 40CrNiMo小轴

在小轴端头取样进行化学成分检测，检测结果见表1，各项化学成分偏上限，特别是有害元素硫偏高，已经不符合GB/T 3077《合金结构钢》的技术标准要求。对小轴零件重新检测硬度，外圆部位HRC38-40，中心部位HRC37-41，符合客户要求的σb≥1170Mpa.

图2 零件端头的中心裂纹

1.2 宏观断口

在中心开裂的小轴端头横向取样，经磨平、砂光、抛光后观察裂纹的宏观形貌（图3）；裂纹出现在小轴中心部位，纵向贯穿；裂纹分两部分，中心裂纹裂开1mm左右宽，在中心裂纹两端有较细的二次裂纹，裂纹成齿状，相互啮合。

剖开裂纹，宏观观察断口形貌（图4）；断口呈腐烂木头状沿纵向断开，现木纹结构，此为典型层状断口；在断口的中心表面有黑色氧化物，断口两侧出现灰色无光泽氧化表面。

表1 40CrNiMo小轴化学成分（质量分数，%）

图3 裂纹形貌

图4 断口形貌

1.3 金相检测

在裂纹附近切取金相试样，经磨平、砂光、抛光工序，4%硝酸酒精腐蚀10s左右，6XCP型金相显微镜观察，裂纹两端无明显脱碳层（图5），裂纹边缘有台阶状；试样的金相组织为回火索氏体+贝氏体+少量铁素体，局部地方存在S化物夹杂（图6），且存在组织不均匀现象（图7）；正常40CrNiMo调质组织应为回火索氏体。

图5 裂纹附近的显微组织 （250X）

1.4 原材料检查（低倍组织、金相检查、硬度测试）

取未经最终热处理的原材料（热轧、退火）切取试样，经磨平、砂光、抛光工序，4%硝酸酒精腐蚀10S左右；宏观观察腐蚀后的试样(图8)，试样中心出现明显的偏析带，约12mm宽，难于腐蚀，中心与边缘之间的腐蚀面也可见一丝丝带状偏析。

图6 显微组织（500X）

图7 显微组织（500X）

图8 原材料低倍检测试样

用6XCP型金相显微镜观察试样金相组织，100X观察试样表层，金相组织为带状分布的铁素体+珠光体（图9），晶粒以变形晶粒为主，非等轴晶粒，按GB/T 13299-91《钢的显微组织评定方法》，带状组织为C系列，已经达到5级；在1000X下放大观察，铁素体晶粒明显随热加工方向延长，珠光体可见层状的铁素体和渗碳体，同时还存在颗粒状碳化物（图10）。用硬度计对其检测，硬度值HRB91，满足HB 5269-83《航空用高级优质结构钢钢棒》中退火态的机械性能HB≤269Kg/mm2的要求。

图9 表层带状组织100X

用250X观察中心偏析带组织（图11），大小不一的铁素体晶粒上弥散分布许多碳化物，晶界清晰，存在混晶现象，应为铸造组织；500X观察次外层偏析带出现粒状贝氏体组织（图12），粒状贝氏体特征是大块状铁素体内分布众多颗粒状富碳奥氏体，富碳奥氏体可分解为铁素体和渗碳体的混合物；用500X、1000X观察试样中心（图13、图14），铁素体晶粒内弥散分布许多碳化物，且许多碳化物在晶界中析出成网状分布。用硬度计对其测试，多数部位为HRC20-25，部分硬度HRC31，硬度测试值和金相组织能相互对应。

图11 偏析带显微组织250X

2 分析与讨论

1）原材料化学成分超出GB 3077中40CrNiMo的标准要求。主要合金元素C、Cr、Ni、Mo百分含量在合格范围内，但偏上限；合金元素偏高将对热处理温度和保温时间有一定影响，但影响不大。原材料中S含量超过标准十倍之多，S为有害元素，是炼钢时的原材料杂质，若浇铸时去除不干净，S会在浇铸冷却时提前结晶，容易影响钢水流动性，造成钢材成分偏析，在热加工过程中引起热脆性。

2）试样的层状断口形貌可以佐证原材料存在偏析；层状使钢的力学性能下降，特别是横向力学性能；造成层状主要原因是钢锭结晶过程中夹杂物在晶界上沉淀，在热加工时沉积在晶界上的夹杂物沿加工方向伸长，使晶界变脆弱。

图12 次外层偏析带的粒状贝氏体500X

图13 中心显微组织500X

图14 中心显微组织1000X

3）裂纹周围无脱碳、无增碳表明裂纹出现在最终热处理环节，断口表面的氧化色应为回火过程中造成；裂纹周围组织为回火索氏体+贝氏体+少量铁素体，同时存在组织不均匀现象，钢中存在的硫化物夹杂将影响钢材的力学性能，容易形成裂纹源。

4）原材料低倍组织及金相检测表明，原材料带状偏析严重；造成带状偏析原因为铸造凝固时，各部分存在化学成分不均匀现象，存在偏析的铸坯在随后的热扎过程中，被挤压成带状；消除带状组织的方法一般有扩散退火和正火，但对于偏析严重的组织将无法消除偏析，可以使用锻造方法使晶粒和组织细化，改善材料使用性能。

5）原材料中心网状碳化物是因为材料化学成分偏析严重，在热扎时冷却过程中碳化物沿晶粒边界析出；热轧时，材料中心受到的挤压力较小，网状碳化物没有被击碎，而只是整个晶粒沿热轧方向变形。晶界上网状分布碳化物将降低晶粒结合力，当应力作用在晶界上容易形成裂纹。

6）通过钢材化学成分中S含量超标、低倍组织偏析严重、钢材中心网状碳化物分布等情况，钢的原材料应为炼钢时的料头部分，料头部分原材料成分偏析严重，理应切除重新回炉，但此批钢材料头切取太少，热轧时造成带状偏析。

3 结 论

1）引起40CrNiMo小轴中心裂纹的主要原因是，钢材质量差，铸钢料头切除太少，造成热轧时形成带状组织，特别是中心网状碳化物造成零件热处理时开裂。

2）避免此类裂纹的方法是，强化钢材质量，炼钢时加强脱硫环节，浇铸后钢材应多切除些料头；钢材中轻微的成分偏析可以通过扩散退回加以消除，而料头只能回炉处理。

[1]航空材料手册.中国航空材料手册编辑委员会.北京：中国标准出版社,1988，9.

[2]北京农业机械化学院主编.金属工艺学.北京：农业出版社,1980，7.

[3]中国机械工程学会热处理专业学会会编.热处理手册.北京：机械工业出版社,2008，1.