42CrMo钢拉杆矫直开裂分析

孙雪盼

(北方重工集团有限公司热处理分公司，辽宁 沈阳 110141)

42CrMo是被广泛使用的中碳合金结构钢，该材料性价比较高，具有高强度、高韧性、良好的淬透性，没有明显的回火脆性，调质处理后，具有良好的抗疲劳性，抗多次冲击能力好，低温冲击韧性良好，适合制造强度大、韧性强的机械零件[1-4]。此次断裂的拉杆应用在磨煤机上，拉杆机构是磨煤机上的重要组成部分，起到连接和支撑的作用，其中拉杆是拉杆机构中的重要组成部分[5]，拉杆在工作中存在振动现象，所以设计对拉杆的强度要求较高。

拉杆材料为42CrMo钢，要求调质处理，硬度为286～321 HB，由于硬度要求较高，常规油冷工艺较难达到技术要求，故采用水淬油冷的双介质淬火冷却的方式，充分地利用了水在高温区较强的冷却能力，油在低温区有缓和的冷却速度，以确保满足拉杆的高强度要求。拉杆热处理后有弯曲变形，为了满足后序加工需求，回火后对拉杆进行矫直处理，在矫直过程中拉杆发生断裂，为查清断裂的原因，笔者对断裂的拉杆进行理化检验和分析，以保证后续产品性能稳定。

1 宏观断口检验

拉杆已经断裂成两段，其宏观断口形貌如图1所示。从宏观断口形貌看，拉杆断裂时在直径方向收缩很小，无明显塑性变形，存在人字纹花样，属于脆性断裂[6]。

图1 拉杆开裂宏观断口形貌Fig.1 Macro fracture morphology of the cracking pull rod

2 化学成分分析和硬度检测

从拉杆断口未氧化部分取样，利用高频红外碳硫仪、电感耦合等离子体发射光谱测试化学成分，结果见表1，拉杆化学成分符合42CrMo材质标准要求。

利用320HBS-3000数显布氏硬度计检测试样硬度，结果为345～375 HB，拉杆硬度技术要求为286～321 HB，可知断裂处硬度高于工件图纸对硬度的要求。调质处理的目的是使工件有良好的综合机械性能，即强度、塑性和韧性都较好，材料的硬度越高，塑性越弱，脆性越大。

3 金属夹杂物评级和组织检验

利用线切割在拉杆开裂位置处切取试样，试样经机械打磨和抛光后，利用OLYMPUSGX51金相显微镜，将未经侵蚀的试样在金相显微镜下放大50倍观察试样内的裂纹，其整体形貌如图2所示，可见裂纹处存在非金属夹杂物。在金相显微镜下放大100倍对裂纹附近的非金属夹杂物进行评级。依据标准GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》评定，非金属夹杂物为D类3级、C类2级，如图3所示；另一个视场检验非金属夹杂物为D类大于3级，如图4所示。非金属夹杂物对钢的塑性和韧性指标影响较显著，严重时导致热处理时产生裂纹。

表1 42CrMo拉杆化学成分(质量分数，%)

图2 试样内裂纹Fig.2 Crack in the sample

图3 未腐蚀的试样表面D3，C2Fig.3 Surface of the non-corroded sample D3,C2

图4 未腐蚀的试样表面D>3Fig.4 Surface of the non-corroded sample D>3

用4%硝酸酒精溶液腐蚀试样的抛光表面，用OLYMPUSGX51金相显微镜对试样组织进行观察，确定显微组织是否符合调质要求。腐蚀的试样在金相显微镜500倍下观察到的显微组织如图5所示，显微组织为回火索氏体+回火贝氏体(白亮区)。粒状贝氏体是由块状或等轴状的铁素体基体及富碳的岛状区域所组成的组织，粒状贝氏体高温回火会析出碳化物，形成复相组织，其组织均匀度较回火索氏体差，粒状贝氏体会降低产品的强韧性[7]。

图5 42CrMo钢拉杆的显微组织Fig.5 Microstructure of 42CrMo steel pull rod

4 分析与结论

1)断裂的拉杆采用水淬油冷的冷却工艺，满足拉杆高硬度的要求，但与此同时，其淬火产生的内应力较油冷或水溶性介质冷却大，容易引起工件开裂。

2)工件淬火后的回火过程主要是消除或降低淬火冷却过程中产生的内应力，得到稳定的回火组织，满足零件所要求的力学性能指标，回火转变的快慢

主要取决于温度，从拉杆的金相组织和硬度来看，拉杆的回火温度不足，组织不均匀，存在一定的残余应力。

3)拉杆的非金属夹杂物超标，在一定程度上降低了拉杆的基体强度，再加上拉杆存在内应力，即使矫直时承受的工作应力很低，也易造成断裂。