50Cr钢轴加工时断裂的原因

祝 彬,徐鸿昊,张全新

(1.四川航天烽火伺服控制技术有限公司,成都 611130;2.重庆钢铁研究所有限公司,重庆 400084)

某公司生产的50Cr钢棒规格为φ28 mm，其调质热处理工艺为:淬火加热至(830±15) ℃→保温60 min→油冷→回火加热至(620±50) ℃→保温90 min→油冷。然后进行车削加工,在车削加工过程中发生了断裂,为找到钢轴的断裂原因，笔者进行了一系列的理化检验与分析，以期为后续提出预防措施，防止此类事故再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

断裂钢轴的宏观形貌如图1所示，可见加工表面较粗糙，有明显的车削加工刀纹，且断裂部位位于钢轴加工台阶的根部。钢轴断口具有金属光泽，未见明显塑性变形，呈脆性断裂特征，如图2所示。

图1 断裂钢轴宏观形貌Fig.1 Macro morphology of fractured steel shaft

图2 钢轴断口宏观形貌Fig.2 Macro morphology of the fracture of steel shaft

1.2 化学成分分析

采用德国SPECTRO型直读光谱仪和CS-206型红外碳硫分析仪对断裂钢轴进行化学成分分析，结果如表1所示，可知50Cr钢轴的化学成分符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》的技术要求。

表1 钢轴的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of steel shaft (mass fraction) %

1.3 力学性能测试

使用HB-3000型布氏硬度计和HR-150A型洛氏硬度计对钢轴的不同部位进行硬度测试，结果如表2所示。使用CMT5105型万能试验机对钢轴进行室温拉伸试验，拉伸试样的断口为脆性断口，无明显塑性变形，试验结果如表3所示。根据表2和表3可知钢轴硬度基本符合企业技术文件的要求，钢轴心部的硬度略低于表面的，但钢轴强度和断面收缩率等的测试结果均未达到技术文件的要求。

表2 钢轴不同部位的硬度测试结果Tab.2 Hardness test results of different parts of steel shaft

表3 钢轴的拉伸性能测试结果Tab.3 Test results of tensile properties of steel shaft

1.4 金相检验

在钢轴断口附近沿轴向在半径1/2处剖开取样，试样经磨抛后，采用OLYMPUS GX71型光学显微镜观察钢轴断口附近的非金属夹杂物，如图3a)所示，并按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》的要求对非金属夹杂物进行评级，结果为A0.5,B1.0,C0.5,D1.5。将试样经体积分数为4%的硝酸酒精溶液浸蚀后观察其显微组织形貌，发现显微组织为回火索氏体+上贝氏体，且试样心部与表面的组织未见明显差异，均含有较多的上贝氏体，如图3b)～d)所示。

图3 断裂钢轴的显微组织形貌Fig. 3 Microstructure morphology of fractured steel shaft:a) nonmetallic inclusions; b) steel shaft surface; c) steel shaft center; d) upper bainite structure

2 分析与讨论

根据钢轴的化学成分分析结果可知，钢轴材料符合GB/T 3077—2015对50Cr钢的要求。通过对钢轴不同部位的硬度测试和金相检验可知，其非金属夹杂物级别及含量符合企业技术文件的要求，未见异常；钢轴硬度基本符合要求，但处于合格范围值的下限。通过对钢轴进行室温拉伸试验可知，钢轴强度未达到钢轴产品性能的标准要求，断后伸长率、断面收缩率等塑性指标的实测值均低于合格范围值下限，且拉伸试样断口无明显塑性变形，为脆性断口。

50Cr钢是中碳含铬合金结构钢，具有较好的淬透性，油冷淬透直径最大可达49 mm，该钢种通常用于制造受较大载荷的零件，如传动轴、齿轮、连杆和螺栓等，一般在调质状态下使用[1]。经复查热处理工艺记录得知，50Cr钢轴按照规定的热处理工艺进行了调质处理，淬火、回火加热温度以及保温时间均在允许偏差范围内。按照工艺要求，50Cr钢的调质组织应基本为回火索氏体[2],但从试样的显微组织来看，其调质组织除了回火索氏体外，还有较多的上贝氏体。上贝氏体组织强度较低,塑性及韧性较差,综合力学性能较差[3]，这与前面观察到钢轴试样无明显塑性变形的脆性断口特征，以及钢轴力学性能试验测得的硬度、强度和塑性指标结果吻合。因此，在50Cr钢的调质热处理中是不希望得到上贝氏体组织的。从贝氏体的形成过程来看,其是奥氏体在珠光体转变温度以下、马氏体转变温度以上的中温转变产物,属于铁素体和渗碳体两相组织[4-5]。按照材料热处理过程的连续冷却转变曲线，在淬火冷却过程中应考虑奥氏体冷却速度对材料显微组织的影响，如果淬火冷却速度较慢，会使材料发生上贝氏体转变，将导致其力学性能的降低[6-8]。

另一方面，从钢轴的断裂位置和宏观形貌来看，钢轴表面较粗糙，有明显的车加工刀痕，断裂部位位于钢轴台阶根部。由于热处理导致钢轴本身韧性较差，加之轴类零件台阶根部和加工刀痕通常是应力集中区域，更容易诱发应力集中而形成裂纹源，最终导致材料发生脆性断裂[9-10]。

3 结论及建议

钢轴在调质淬火热处理过程中形成了上贝氏体，降低了材料的力学性能，是导致钢轴脆性断裂的主要原因。钢轴表面的加工刀痕和台阶根部的应力集中是钢轴脆性断裂的诱因。

建议应严格控制热处理工艺，特别是在钢棒调质热处理时，应提高淬火冷速且及时冷却，避免由于冷却速度过慢而导致材料塑性降低。同时，提高钢轴的表面机械加工质量，应尽量避免在钢轴台阶根部形成加工刀痕或尖角从而导致应力集中，使得钢轴在加工和使用过程中断裂失效。