紧固件金相制样的开裂判别

陆柯杰，张玉焕

威睿电动汽车技术(宁波)有限公司 浙江宁波 315336

1 序言

高强度紧固件需要经过热处理达到性能要求，通常使用网带炉进行热处理，作为质量控制，淬火件和回火件都需要检测。淬火件一般需要检测马氏体级别、马氏体量、淬火硬度；回火件一般需要检测回火硬度、表面硬度、抗拉强度、屈服强度以及螺纹未脱碳层高度、全脱碳层深度等[1]。金相检测需要对试样进行切割和镶嵌，切割过程会使用虎钳夹持试样，如果夹持力过大会使试样变形甚至开裂。本文通过对一个具体开裂试样的分析，阐述了分析裂纹的过程及方法。

2 问题描述

紧固件材料为SCr440（对应国产牌号：40Cr）的一批次M8×20的螺栓，热处理前已经滚丝，检验员例行检查淬火件金相，经切割、镶嵌、抛光后发现有裂纹。切割方法为沿径向截取一段圆柱，再沿轴向切割4等分，然后镶嵌观察轴向状况，开裂试样在镶块上的形态如图1所示。

图1 开裂试样（25×）

3 初步分析

观察裂纹形态，与淬火裂纹特有的纹路和尾端尖细的特征相符。

使用3%的硝酸酒精溶液腐蚀试样，观察裂纹处的开裂形态，如图2所示。

图2 开裂形态（200×）

裂纹两侧无氧化增碳、脱碳现象，符合淬火开裂的特征。因为开裂发生在奥氏体向马氏体转变的过程中，SCr440的Ms点为355℃，在此温度下，即使产生裂纹，也不会发生增碳、脱碳和明显氧化，所以淬火开裂的两侧不会有氧化、增碳、脱碳现象，否则肯定不是淬火裂纹。

再对镶块上的试样进行尺寸确认，发现试样夹持的两面不平行，靠近螺纹边缘厚度为2491μm，中心部位厚度为2382μm（见图3），说明夹持时受力不均匀，螺纹端受力大。

此产品为常规件，之前生产过程未发现过开裂。

图3 试样尺寸测量

4 热处理工艺回顾

热处理前材料经过球化退火，组织为球状珠光体。使用三永SY-805-6型加热炉，其共分6个区，独立控温，甲醇滴注，炉内裂解后作为稀释气，丙烷为富碳气，通过氧探头控制碳势。淬火冷却介质使用德润宝 ISOMAX 169淬火油，具体热处理工艺见表1。

表1 热处理工艺

5 淬火开裂常见原因分析

5.1 低温冷却速度过快

淬火过程中的组织应力对产品的变形和开裂影响明显，在奥氏体转变为马氏体组织时，体积膨胀，冷却速度过快使应力得不到释放，从而使产品变形甚至开裂。按GB/T 30823—2014（同ISO 9950：1995）标准，对淬火油的冷却速度进行测量，未发现异常，见图4、表2。

图4 冷却曲线

表2 冷却曲线数据

5.2 淬火冷却介质中水含量过高

水的冷却速度远大于淬火油，油中含水时会导致产品软点、开裂。检测淬火油运动黏度及水分，未发现异常，见表3。

表3 淬火油中黏度及水分

5.3 原材料缺陷

钢件内部存在的发纹、皮下气泡，以及较严重的偏析、带状非金属夹杂等，在淬火过程中易在缺陷处产生裂纹。检查开裂处未发现异常材料缺陷。

5.4 热处理前原始金相组织

钢件的原始组织对加热的奥氏体晶粒度及其长大有影响，与球状珠光体相比，片状珠光体在加热温度偏高时易引起奥氏体晶粒粗化，倾向于过热，得到粗大马氏体。查找热处理前的检测记录，材料为球状珠光体组织，球化5级，如图5所示。

图5 球化组织

5.5 表面脱碳

脱碳后的组织强度低，同时表面脱碳层的马氏体比体积小，会形成较大拉应力，使表面开裂。检查产品表面组织，未见脱碳现象，如图6所示。

图6 表面金相组织

经过对工件产生淬火开裂的原因分析，未发现热处理过程异常，怀疑裂纹不是淬火时产生的。同时，分析试样裂纹的形态，此裂纹与螺栓外径接近相切，不符合淬火应力导致的开裂形态。工件淬火冷却时，如果瞬时应力超过工件的断裂强度，将产生淬火裂纹。如在工件完全淬透的情况下，因组织应力过大，在表面拉应力作用下会产生沿轴向由表面向心部的纵向裂纹；在未淬透的大型工件上，常由热应力引起由内往外的横向裂纹或弧形裂纹，这是由于在淬透层向非淬透层的过渡区出现最大拉应力所致[2]。此产品组织完全淬透，若是淬火开裂，形态应沿轴向从外到内，如图7所示。因此，怀疑开裂可能是切割时夹具夹持力过大引起的。

图7 经磁粉检测的淬火开裂

6 试样表面观察

把试样从镶块中取出观察被夹持的2个面，发现2个面都有明显的变形和开裂，如图8、图9所示。

观察图8、图9，证实了开裂为切割时造成。金相试样切割时，为防止试样移动，使用虎钳夹持住试样，由于不能设定夹持力，至手柄拧到不能转动为止，因此导致压力过大而开裂。

图8 一个夹持面

图9 另一个夹持面

7 结束语

开裂形态多种多样，有些具有迷惑性，但都会遵循规律，用理论知识去分析问题，善于观察，就能快速解决问题。淬火件切割时夹持力要适当，淬火速度不能快，振动要小，冷却要充分，才能制备出反映真实组织的试样。