40Cr热轧板调质开裂原因分析

顾 杰 周传昆 闫 明 陆凯雷 顾志斌

（常州博瑞电力自动化设备有限公司，常州 213025）

40Cr为常用合金结构钢，具有良好的淬透性，经调质处理后可获得优异的综合力学性能，以及良好的低温冲击韧性和低缺口敏感性，被广泛应用于机械、交通、航空、船舶、电力等行业[1]。某公司生产的厚度为35 mm的40Cr热轧钢板在调质处理完成后，经表面经机加工后发现沿轧制方向的纵向裂纹，且开裂结构件数量占比约5%。本文对失效样品进行开裂的原因分析，并提出针对性的改善措施。

1 生产工艺及研究方法

开裂样品的材质为40Cr热轧板；尺寸为350 mm× 350 mm×35 mm，调质处理后硬度要求为28～34 HRC， 成型工艺为：调质处理→机加工→表面处理[2]。表面经机加工后，在板厚中部位置发现纵向裂纹，如图1所示。鉴于以上情况，本文通过对失效样品进行成分分析、低倍观察、金相分析、硬度检测及Z向抗拉强度测试等明确了其开裂的原因。

2 检测与分析

2.1 成分分析

采用直读光谱仪对开裂样品进行化学成分分析，结果如表1所示，符合《合金结构钢》（GB/T 3077— 2015）中40Cr钢的元素含量要求。

表1 开裂样品的化学成分

2.2 低倍观察

在样品的裂纹处线切割出金相试样，如图2所示，经过打磨、抛光及酸蚀后，观察其低倍形貌及裂纹形貌，分别如图3和图4所示。由图3可以看出，板材中部存在宽度约为12 mm的偏析带[3]，而偏析带由两条耐腐蚀的亮带及中间的易腐蚀暗带构成；出现裂纹的暗带区域由表面沿着偏析带向内部扩展，深度约7.8 mm，尾部尖细。裂纹附近未见有脱碳或增碳层，而两侧存在8 μm厚的灰色氧化层[4]，为典型的淬火裂纹特征。由此初步推断裂纹产生的原因为：由于淬火快速冷却过程中产生的较大内应力，导致裂纹萌生及扩散，且回火过程中的气体保护不当进一步导致了裂纹两侧的金属发生高温氧化，从而形成了氧化层。

2.3 金相分析

基体、亮带及暗带的组织形貌如图5所示，其中基体为回火索氏体中分布着块状的铁素体，亮带为回火索氏体中分布着块状及条状铁素体，而暗带为较为均匀的回火索氏体组织[5]。根据淬透性理论可知，正常调质组织为由表及里回火索氏体中的铁素体含量逐渐增加，而本样品材料内部的成分偏析缺陷导致了调质组织呈现相反规律。试样的晶粒度等级如图6所示，可以看出其内部的回火索氏体组织较为均匀且细小，晶粒度为9级，满足技术要求。

2.4 硬度检测

沿着试样厚度方向选择3条测试路径，如图7所示，由中心向表面依次进行洛氏硬度测试，结果如图8 所示。可以看出，试样呈现出“表软心硬”的特点，且亮带与基体的硬度相近，低于暗带区域的硬度（约3 HRC）。该试样在界面处形成了硬度梯度，导致该区域成为易应力集中的薄弱地带[6-7]，结合金相组织分析，亮带及基体中存在的块状及条状铁素体直接导致了区域内硬度偏低。

2.5 Z向抗拉强度测试

测试时，需要在样品的5个未开裂区域分别制备3个Z向（厚度方向）拉伸样，因为板材厚度仅35 mm， 所以可以制备成M8×35 mm的非标螺柱替代标准哑铃状试样进行拉伸试验，拉伸效果如图9所示。试样的Z向抗拉强度值如图10所示，其整体平均值较低、稳定性较差。由图9可以看出，断裂发生于靠近亮带界面的暗带区域内，与试样开裂位置基本一致，且拉伸断口平齐，无明显缩颈现象，呈现显著的脆性特征。由此可推测出，偏析导致的脆性界面区域成为了材料厚度方向的薄弱地带。

3 结论

从文中的分析可以得出以下结论：第一，40Cr失效件成分符合国标要求，但内部存在亮带和暗带构成的偏析带原始缺陷；第二，存在严重偏析带的40Cr热轧板经调制处理后，亮带回火组织中存在的块状及条状铁素体导致该区域与暗带区的机械性能差异显著，使界面区域成为易应力集中的薄弱地带，从而在淬火冷却应力作用下，发生由表及里的纵向开裂。针对上述结论，现提出以下建议：一方面，将40Cr原材料的供货状态由热轧态改为退火态，并严格控制内部的偏析等级，使其满足《合金结构钢》（GB/T 3077—2015） 中高级优质钢的技术要求；另一方面，可以通过调整淬火介质、优化工艺参数以及采用分级淬火等手段，降低淬火过程中产生的内应力。