H13外筒开裂失效分析

■ 彭元飞，王晨

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我公司最近有一件材质为H13（4Cr5MoSiV1），外径为1460mm、内径为700mm的外筒，在热装完成后机加工过程中发生多处开裂，裂纹主要沿纵向开裂，也有沿周向分布的次裂纹，其开裂形貌如图1~图4所示。

图1 外筒开裂形貌

图2 外筒端面开裂形貌

图3 外筒端面开裂形貌

图4 外筒端面开裂形貌

该外筒的工艺过程为：铸造→锻造→调质→淬火→两次回火→热装→机加工，其中淬火温度：1050℃；回火温度：第一次580℃，第二次600℃。热装温度要求300℃，实际温度为近500℃。内外筒的配合过盈量符合标准要求。

为分析外筒开裂的原因，现检验分析如下：

1.化学成分分析

采用ARC-MET8000便携式全谱直读光谱仪，对开裂外筒试样进行化学成分分析，结果如表1所示，可见该外筒的化学成分符合标准要求。

2.硬度检验

通过对实体硬度检测，其平均硬度为55~56HRC。经调查，该件淬火、回火后加工前的硬度为50～52HRC，而技术要求为48~52HRC。工件实际硬度比图样要求的硬度略高。

3.性能试验

为进一步验证性能指标，在开裂的工件上切取试样，其试验结果如表2所示。

从试验结果表明，强度指标过高，而塑、韧性指标过低。

4.断口分析

开裂外筒的断口宏观特征为断面较为平整、光滑，无明显的塑性变形痕迹，属于脆性断裂。同时在断口上发现下列现象，断面上分布着比较光滑的小亮点，有金属光泽，呈银灰色，这是典型的萘状断口，如图5所示。

依据相关资料，产生萘状断口的主要原因：

（1）在锻造过程中终锻温度过高，或锻件过热且变形量较小易产生萘状断口。

（2）由于热处理工艺中连续两次淬火，中间未经退火也容易产生萘状断口。

出现这种断口，材料的力学性能差，并且冲击韧度也明显降低。

图5 外筒断口宏观形貌

5.组织检验

在开裂的工件上取样，经过酸蚀，对组织检验分析，其组织为板条状马氏体+残留奥氏体+颗粒状碳化物。其中板条马氏体存在色泽上的差异，有深灰色的板条马氏体和浅白色的马氏体，浅白色马氏体是由于残留奥氏体转变形成的，疑为未回火马氏体或其他非马氏体组织，导致这一现象的原因是残留奥氏体量过多，回火不充分。总之，板条马氏体比较粗大（见图6），根据JB/T8420—1996《热作模具钢显微组织评级》评定，马氏体针标准级别为≥5级。

图6 粗大的板条马氏体+残留奥氏体+碳化物（500×）

表1 外筒的化学成分（质量分数） （%）

表2 力学性能结果

6.综合分析

综上所述，外筒的化学成分各元素含量均满足标准要求；工件的强度过高，而塑性、韧性过低，硬度较高；在显微组织检验中发现了粗大的板条马氏体和非回火马氏体；断口宏观形貌显示该外筒开裂具有脆性开裂特征。因此，该H13外筒开裂的原因可以归纳为以下几点：

（1）锻造缺陷。由于萘状断口的产生，这是因为在锻造中终锻温度过高形成的过热现象，导致马氏体粗大的原因之一。出现这种断口，材料的力学性能差，并且冲击韧度也明显降低。

（2）回火不足。由于外筒回火两次，组织中存在较多的残留奥氏体，在不断地转变成马氏体，所以一次、二次回火很难较大幅度地消除淬火后材料内部残余应力。

（3）如果加热温度过高，或保温时间过长，也是形成粗大板条状马氏体的原因，使硬度增高，脆性增大，因此存在较大的内应力。

7.预防措施

（1）改进锻造工艺，避免锻造缺陷的产生。

（2）加强热处理工艺的执行，充分回火，细化晶粒，减少内应力。