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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-05-16 15:30
依據(jù)GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求，在對(duì)42CrMoA圓鋼進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試前，需要對(duì)其樣坯進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。對(duì)某鋼廠生產(chǎn)的直徑為65mm的42CrMoA圓鋼樣坯進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后發(fā)現(xiàn)少量樣坯表面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，需重新制樣，延長(zhǎng)了鋼材的出廠時(shí)間。樣坯的調(diào)質(zhì)工藝為：(855±10)℃，50min，油冷 +(550±10)℃，60min，水冷。為了避免后續(xù)的樣坯發(fā)生熱處理開裂，研究人員對(duì)開裂樣坯進(jìn)行一系列理化檢驗(yàn)，找出其開裂的原因，以避免該類問題再次發(fā)生。
1、理化檢驗(yàn)
1.1宏觀形貌
調(diào)質(zhì)后開裂樣坯的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：樣坯表面存在單條的縱向直線裂紋，裂紋沿試樣軸向表面分布，總體貫穿試樣，筆直無分叉；裂紋由樣坯表面延伸至心部。
1.2化學(xué)成分分析
對(duì)開裂樣坯取樣并對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：開裂樣坯的化學(xué)成分滿足GB/T 3077—2015對(duì)42CrMoA鋼的要求。
1.3金相檢驗(yàn)
在樣坯開裂處取金相試樣，利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：裂紋由表面向心部延伸，裂紋的開口大、尾部小，且尾部出現(xiàn)分叉；裂紋尾部的裂縫中有少量氧化物，為中高溫回火所致；將試樣腐蝕后觀察裂紋兩側(cè)，未見脫碳現(xiàn)象。依據(jù)裂紋的形貌特征和裂紋兩側(cè)的組織情況，可以確定該裂紋為淬火裂紋。
在樣坯橫截面處取金相試樣，用光學(xué)顯微鏡觀察試樣，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：樣坯橫截面組織為回火索氏體和未溶碳化物，組織分布不均勻，存在明亮區(qū)；明亮區(qū)局部分布有細(xì)小的非金屬夾雜物，直徑為3~7μm；裂紋擴(kuò)展區(qū)組織不均勻，明亮區(qū)較多；另一側(cè)近表面區(qū)組織均勻。
依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)夾雜物進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：未見大顆粒非金屬夾雜物，非金屬夾雜物級(jí)別較低，為A類細(xì)系1.0級(jí)、A類粗系1.0級(jí)、B類細(xì)系0.5級(jí)。
在母材縱截面處取金相試樣，試樣的金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：試樣表面未見缺陷及異常大顆粒夾雜，近表面處組織相對(duì)均勻，組織為鐵素體+珠光體；靠近心部的白色條帶狀組織明顯，為鐵素體+ 珠光體+貝氏體；貝氏體呈條帶分布。說明開裂樣坯裂紋源靠近母材心部。
1.4硬度測(cè)試
利用洛氏硬度計(jì)在開裂樣坯的截面沿著裂紋方向進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：調(diào)質(zhì)后樣坯的平均硬度為37.2HRC，硬度分布均勻。根據(jù)《熱處理工藝參數(shù)手冊(cè)》中合金結(jié)構(gòu)鋼的淬火與回火工藝參數(shù)可知，42CrMoA鋼經(jīng)熱處理后的硬度
應(yīng)為38 HRC。根據(jù)GB/T 16924—2008《鋼件的淬火與回火》可知，42CrMoA鋼樣坯洛氏硬度的偏差為±2HRC，因此42CrMoA鋼樣坯熱處理后的洛氏硬度應(yīng)為36~40HRC，開裂樣坯的洛氏硬度滿足要求。
利用顯微維氏硬度計(jì)對(duì)開裂樣坯縱向組織進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果如表3所示，不同測(cè)試位置的壓痕形貌如圖6所示。由表3和圖6可知：帶狀區(qū)的硬度明顯高于暗區(qū)。
1.5掃描電鏡(SEM)及能譜分析
采用掃描電鏡及能譜儀對(duì)夾雜物進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：夾雜物主要含有 Mn、S、Cr等元素，為硫化物夾雜。
采用能譜儀對(duì)圖3c)明亮區(qū)進(jìn)行線掃描，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：明亮區(qū)存在Cr元素偏析，偏析的寬 度約為0.01mm，與帶狀區(qū)的寬度相當(dāng)，說明Cr元素偏析導(dǎo)致帶狀區(qū)的硬度升高。
2、綜合分析
淬火加熱的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為t=αKH，其中：t為保溫時(shí)間；α為保溫時(shí)間系數(shù)；K為裝爐方式修正系數(shù)；H為工件有效厚度。采用馬弗爐加熱42CrMoA合金鋼，α為 1.2~1.5，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裝爐方式，K為2，因此對(duì)于直徑為25mm的樣坯，淬火保溫時(shí)間應(yīng)為60~75min，而開裂樣坯的實(shí)際淬火保溫時(shí)間只有50min，保溫時(shí)間偏短。Cr、Mo等元素在奧氏體中的擴(kuò)散速率較慢，奧氏體均勻化需要的時(shí)間較長(zhǎng)，保溫時(shí)間較短會(huì)使合金元素的均勻化程度不足，從而無法消除原材料的Cr元素成分偏析。
裂紋沿軸向分布，由工件表面向心部擴(kuò)展，裂紋較深、較長(zhǎng)，裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象。因此該裂紋為典型的縱向淬火裂紋，裂紋源靠近樣坯的心部。母材的組織存在顯微偏析，靠近心部的組織不均勻。鋼的原始狀態(tài)對(duì)淬火開裂有很大影響，原始組織細(xì)小、均勻，淬火后得到的馬氏體細(xì)小，殘余應(yīng)力小，基體強(qiáng)度高,開裂傾向小。母材靠近心部存在較多的貝氏體條帶非平衡組織，更易誘發(fā)淬火裂紋。淬火時(shí)，在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的共同作用下，當(dāng)瞬時(shí)應(yīng)力超過斷裂強(qiáng)度時(shí)，材料就會(huì)開裂。42CrMoA鋼在靜油中的淬火臨界直徑為40mm，對(duì)于直徑為25mm的柱狀樣坯，淬火時(shí)樣坯能被完全淬透，內(nèi)外均易得到馬氏體，因此淬火時(shí)是以組織應(yīng)力為主導(dǎo)。樣坯靠近母材心部的組織應(yīng)力比其他位置的應(yīng)力大，在表面拉應(yīng)力的作用下，母材心部先產(chǎn)生縱向裂紋。
帶狀組織內(nèi)存在Cr元素成分偏析和硫化物聚集。Cr元素為中強(qiáng)碳化物的形成元素，Cr元素含量較低時(shí)，其溶于滲碳體中形成合金滲碳體，Cr元素含量較高時(shí)，可能形成新的碳化物，因此Cr元素偏析區(qū)的硬度較高、脆性較大。Cr元素偏析區(qū)的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，淬火冷卻時(shí)，該區(qū)域的馬氏體轉(zhuǎn)變速率較慢，增大了組織應(yīng)力，易形成裂紋。因此Cr元素成分偏析對(duì)淬火開裂的影響較大。硫化物與基體的結(jié)合能力較弱，且硫化物的膨脹系數(shù)比基體大，當(dāng)鋼中存在夾雜物偏析或夾雜物沿晶界分布時(shí)，淬火過程中夾雜物可能發(fā)生界面分離并形成裂紋。
3、結(jié)論及建議
42CrMoA鋼樣坯經(jīng)調(diào)質(zhì)后形成的裂紋為典型淬火裂紋，開裂源位于靠近母材心部一側(cè)的表面。原材料組織不均勻，存在Cr元素成分偏析，且淬火保溫時(shí)間短，最終導(dǎo)致樣坯發(fā)生淬火開裂。
建議將淬火保溫時(shí)間延長(zhǎng)至60~75min，使樣坯的奧氏體化更完全，有利于合金元素的均勻化。調(diào)質(zhì)處理前，可對(duì)樣坯進(jìn)行高溫均勻化退火，以消除其成分偏析和帶狀組織。
來源：理化檢驗(yàn)物理分冊(cè)
