300M 重投挂钩拉伸试样异常断裂分析

卫凌云

（厦门工学院，福建 厦门361021）

300M钢牌号为40CrNi2Si2MoVA，是国内外航空领域广泛使用的一种低合金超高强度钢，综合性能好、应用最广泛和声誉最好的起落架用钢。它的力学性能具有强度高、横向塑性高、断裂韧性高、疲劳性能优良及抗腐蚀性能好等优点[1]。某空降空投重投机构300M挂钩与零件在进行同炉拉伸试样时，挂装夹持头根部过渡处发生异常断裂。此试样的加工、热处理过程为：加工（L0部分留磨量），热处理（真空炉870℃淬火；300℃两次回火），磨削（L0部分磨到尺寸）。本文采用金相分析、硬度检测、断口分析等方法对异常断裂的试样进行了分析，结果证实该拉伸试样出现异常断裂为增碳所致。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

化学成分分析结果显示表面含碳量为0.88%，而心部为0.40%，试样表层碳含量比心部明显偏高。

1.2 力学性能测试

采用电液伺服万能材料试验机UH-F500KNX，对试样进行拉伸试验，二根试样的断裂部位都不在有效区内，而是在夹持头过渡台阶的根部，拉断试样见图1。

1.3 宏观检验

如图1 所示，断裂部位为台阶过渡处，断口宏观如图2：断口比较平坦，无明显塑性变形，断面与主应力方向垂直，明显可见放射棱线。

图1 试样及断裂部位

图2 异常断口宏观图

图3 显微组织

1.4 金相检验

在夹持部位取样，横截面进行磨制、抛光，制作试样。使用型号为D1M光学显微镜观察，金相组织如图3 所示：从外往里由高碳针状马氏体逐渐过渡为低碳板条马氏体，外部边缘为高碳马氏体与少量奥氏体。

1.5 硬度测试

断裂试样断口附近的一小截作为硬度试样，磨制抛光后对试样进行硬度测试，从断口表层到心部硬度呈梯度下降，曲线如图4 所示。近表面硬度为643HV0.2，心部硬度为548HV0.2，表层硬度明显偏高，增碳层深度约为0.3mm。

图4 表面到心部硬度梯度曲线

1.6 扫描电镜

断口源区形貌见图5，如图中箭头所示，棱线由裂源向内扩展放射。断口无附着物，在扫描电镜下观察，边缘源区为沿晶分离特征(图6)。断裂区微观形貌呈典型的韧窝状，裂纹源处未见任何冶金缺陷(图7)。

图5 断裂源区形貌

2 分析

试样断裂发生在夹持部位台阶过渡处，断口平齐，边缘剪切区域极小，基本看不到纤维区，放射棱线明显，与正常光滑圆柱拉伸试样的断裂不一样[2]。从金相组织看：从外往里由高碳针状马氏体逐渐过渡为低碳板条马氏体，边缘组织为明显的高碳马氏体特征，该拉伸试样为低合金超高强度钢，正常情况下组织不应出现高碳马氏体，而是与心部组织一致的板条马氏体组织，因此断口附近的表面碳含量明显增加。

图6 源区沿晶断口形貌

图7 瞬断区断口韧窝形貌

根据硬度测试结果，从外到内硬度呈曲线下降，表层硬度与心部硬度相差近100HV，这是由于针状马氏体比板条马氏体硬度高。

沿晶断裂属于脆性断裂失效[5]，沿晶断裂是由某种原因弱化了晶界后发生的断裂[5]。晶界有白色析出物，应是碳化物，弱化了材料的性能，优先沿晶界断裂。

上述测试结果表明试样在热处理过程中发生了增碳。交界处含碳量的不同形成一个薄弱环节，表面增碳产生的碳化物在晶界析出，从而增加零件脆性，使零件基体在热处理过程中相变不同，收缩和膨胀率不一样，从而出现应力[5]。此外夹持头过渡台阶截面形状突变部位，为应力集中脆弱部位，应力作用时，此表面产生微裂纹，在后续拉伸过程中裂纹进一步延伸，直到发生断裂。

综上所述，试样表面增碳是发生异常断裂的根本原因，其次过渡处设计的不合理，有待改进。

3 结论

试样表面增碳是发生异常断裂的根本原因。