臂销调质开裂失效分析

姜影，牛迎春，郑业方，夏玉亮，王玉才

株洲中车天力锻业有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

某30CrNiMo8钢臂销[1]调质后，发现在纵面出现开裂，开裂位置及宏观裂纹形态如图1所示。臂销原材料为锻坯，经下料→锻造→粗加工→调质等工艺生产而成，臂销结构如图2所示。

图1 30CrNiMo8钢臂销开裂位置

图2 臂销结构

2 检测与结果

2.1 裂纹宏观形貌

从样品外观观察发现有两条宏观裂纹：一条为贯穿裂纹1，如图3所示；另一条为台阶处的裂纹2，如图4所示。

图3 贯穿裂纹1

图4 台阶处折叠裂纹2

样品裂纹中部（裂纹起源）存在截面尺寸突变结构，且变截面过渡处倒角、倒圆较小。

2.2 金相检测

裂纹1断口形貌如图5所示，在图5标记位置取样，试样打磨、抛光、侵蚀后置于GX-51显微镜下做金相组织检测，结果如图6所示。由图6可知，由于裂纹附近无明显的氧化脱碳，因此该裂纹应为淬火过程中产生的裂纹。

图5 裂纹1断口形貌

图6 裂纹1附近金相组织（100×）

对裂纹2取样做金相检测，试样经打磨、抛光后，置于GX-51显微镜下做金相组织检测，结果如图7所示。由图7可知，试样裂纹附近有氧化和脱碳，裂纹深度2.9mm，裂纹内充满淬火冷却介质，裂纹没有扩展现象，应为淬火前裂纹。

图7 裂纹2附近金相组织

2.3 硬度及性能检测

在样品R/2位置处取样检测布氏硬度及力学性能，结果见表1，力学性能符合技术要求。

表1 臂销拉伸性能及硬度检测

2.4 化学成分检测

在臂销开裂位置取样，用直读光谱仪按照技术协议，用光谱仪做成分检测，结果见表2。化学成分满足技术要求。

表2 臂销化学成分检测结果（质量分数） （%）

2.5 高倍金相组织检测

试样抛光后采用光学显微镜观察裂纹附近组织，在样品R/2位置处取样检测金相组织，晶粒度7.5级，金相组织为索氏体，未发现组织异常，金相组织检测结果如图8所示。

图8 金相组织

3 结果及讨论

热处理过程中的开裂是最严重的热处理失效。造成开裂的原因往往是诸多因素共同作用的结果，典型的有原材料因素、零件结构因素、热处理工艺因素等[1，2]。

一般当产品来料存在显微裂纹或其他冶金缺陷时，在淬火过程受到组织转变、温度变化的热应力和组织应力共同作用下，必然会扩展和诱发形成热处理裂纹，一般以宏观裂纹为主，也存在内裂。典型的原材料缺陷包含偏析、带状组织、不合格的预备热处理显微组织、锻造折叠等。一般在热处理过程中，当零件结构设计上存在薄厚不均、开槽、通孔及盲孔等结构时，且当热处理工艺在一定范围内时，由于结构不合理都会在局部位置产生应力集中，从而出现崩角、开裂等问题。某些情况下由于脱碳和增碳会增加淬火开裂倾向，因此加热过程中应尽可能减少零件表面的脱碳和增碳[3-5]。

上述臂销的硬度、化学成分符合要求，金相组织正常，产品符合技术要求，由此可知，其热处理过程满足技术要求，无明显异常。该开裂臂销的裂纹从大的贯穿裂纹（裂纹1）来看，其裂纹源处于变截面尺寸结构圆弧过渡或倒角较小部位，导致在淬火过程中产生较大应力，形成贯穿整个工件的裂纹。该裂纹的产生主要是由于结构设计不合理，局部区域有效厚度较薄，从而导致在同等淬火冷却介质条件下冷却速度过快，加速了马氏体组织转变，增加了开裂倾向。在台阶位置（裂纹2）的裂纹缺陷证明，在淬火前就存在微裂纹，但该裂纹在淬火过程中未扩展，主要是存在较大的贯穿裂纹和淬火前裂纹，说明热处理工艺合理，与裂纹形成无直接关系。

4 结束语

综上所述，调质组织无过热、过烧特征，硬度、化学成分符合要求，金相组织正常，产品符合技术要求，造成臂销开裂的主要因素如下。

1）零件结构存在明显的台阶，且台阶厚度14mm，台阶过渡位置圆弧过渡较小，淬火时由于冷却速度过快，导致组织应力较大，从而增加了产品开裂倾向。

2）锻造自身裂纹缺陷未消除，存在脱碳层及微小裂纹，容易造成淬火应力不均，使裂纹扩展导致淬火开裂。