40Cr钎杆断裂原因分析

郝少花

（济源钢铁集团有限责任公司—中心化验室，河南 济源 454650）

40Cr合金结构钢具有良好的淬透性和较高的疲劳强度，经调质处理后常用于制造（如齿轮、轴、连杆等）承受中等载荷和转速的零件。此防止此类零件在冲击或过载下发生断裂和变形，要求零件具有较高的屈服强度、抗拉强度和韧性等；为保证零件在机加工时易于加工，要求钢材具有良好的工艺性能等。某批规格为Φ140mm的40Cr材料供货给用户经下料、车削、热处理加工制成钎杆，成品钎杆在卸货时摔断。文章通过化学分析、低倍形貌分析、微观组织分析、断口形貌分析，找出了引起断裂的原因，并提出相应的预防和改进措施。

1 理化分析

1.1 宏观分析

断裂钎杆沿直径方向纵向劈裂成两半，劈裂断口沿心部带状区域为断裂源扩展至钎杆表面及横断面，横断面又由此为源发生横向断裂，见图1。

图1 断裂钎杆断口宏观形貌

1.2 化学成分分析

采用光谱仪在断裂样附近取样进行化学成分检验分析，断裂样的化学成分检测结果符合GB/T3077-2015对40Cr成分的要求，结果见表1。

表1 钎杆断裂试样的化学成分，wt%

1.3 低倍形貌分析

在断口处取样用1：1盐酸水溶液热酸蚀后，观察断口处低倍形貌，断口处存在呈不规则分布的、锯齿形细小发纹，此为典型的白点缺陷形貌，见图2。

1.4 扫描电镜断口分析

在钎杆断口处取样，经超声波清洗后放入扫描电镜内进行SEM断口观察。断裂源区带状区域为冰糖状沿晶断裂特征，并且断口表面有一定程度的氧化，正常区域为解理+准解理的混合型断裂特征，且存在鸡爪型撕裂棱，见图3。整个断口未发现明显的冶金缺陷。

图2 断口处低倍宏观形貌

图3 断裂源处断口SEM形貌

1.5 金相分析

在断裂源处取样，经磨制、抛光、腐蚀后，在金相显微镜下观察，断裂源处存在多条偏析带，偏析带上组织为M+B组织，正常区域组织为P+F组织，见图4。

图4 断裂源处组织形貌 100X

2 讨论分析

由样品的化学成分检测结果可知：失效钎杆的化学成分符合标准要求，表明断裂的产生与材质无关。

低倍分析可知，断口处存在呈不规则分布的白点缺陷。断口宏观观察可知，断口沿心部带状区域为断裂源扩展至钎杆表面及横断面，横断面又由此为源发生横向断裂。断口微观分析，断裂源处带状区域为沿晶断口，正常区域为解理+准解理的混合型断裂特征，且存在鸡爪型撕裂棱，这些都是氢脆断口的典型特征。氢脆的产生是由于钢铁基体中的氢原子向应力集中的部位（如钢中的非金属夹杂物、原子点阵位错、空穴等）扩散聚集，形成“陷阱”。活动氢原子扩散到这些“陷阱”中，氢原子变成氢分子，产生巨大应力，在该应力集中部位形成微裂纹，当应力超过材料的屈服强度时，微裂纹扩展发生断裂。由于氢脆与氢原子的扩散有关，而扩散是需要时间的，故氢脆通常表现为延迟断裂。

由金相分析可知，断裂源处带状区域为M+B组织，而正常区域组织为P+F组织，马氏体相与基体相间比容差较大，产生较大的组织应力，增加了开裂倾向。

3 结语

该40Cr钎杆断裂是氢致延迟型脆性断裂，其是在应力和氢共同作用下导致的断裂。

为了预防合金钢钎杆发生断裂，在实际生产中采用以下措施：通过炉外精炼、真空脱气等技术降低钢中的硫、氢含量；优化拉坯速度与过热度的匹配关系、合理调整二冷末端电磁搅拌参数等改善材料偏析，减少偏析对材料热处理工艺性能的影响。