案例分享：GCr15鋼制零件裂紋分析
某公司新進一批GCr15鋼制零件，進廠檢驗時發(fā)現(xiàn)裂紋。隨后對本批零件進行磁粉探傷，發(fā)現(xiàn)該批零件全部出現(xiàn)如圖1所示裂紋。
圖1 零件磁粉探傷裂紋照片
1.研究內(nèi)容及方法
（1）化學(xué)成分分析 對零件表面和內(nèi)部使用OBLF直讀光譜儀進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。
表1 鋼制零件化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）
元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr |
GB/T18254要求 | 0.95～1.05 | 0.15～0.35 | 0.25～0.45 | ≤0.025 | ≤0.025 | 1.40～1.65 |
內(nèi)部檢測結(jié)果 | 0.991 | 0.211 | 0.305 | 0.012 | 0.005 | 1.465 |
表面檢測結(jié)果 | 0.785 | 0.207 | 0.302 | 0.011 | 0.005 | 1.429 |
從零件內(nèi)部的化學(xué)成分可以看出，零件化學(xué)成分符合GB/T18254中GCr15要求，從表面與內(nèi)部的化學(xué)成分數(shù)據(jù)對比可以看出，零件表面存在脫碳現(xiàn)象。
（2）金相組織觀察 對零件進行非金屬夾雜物檢驗，檢驗結(jié)果見表2，所含非金屬夾雜物均符合GB/T18254要求。
表2 非金屬夾雜物檢驗結(jié)果
非金屬夾雜物類型 | GB/T18254要求 | 檢測結(jié)果 | ||
細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | |
A | ≤2.5 | ≤1.5 | 0 | 0 |
B | ≤2.0 | ≤1.0 | 0.5 | 0 |
C | ≤0.5 | ≤0.5 | 0 | 0 |
D | ≤1.0 | ≤1.0 | 0 | 0 |
對零件表面進行金相制樣（未腐蝕），使用LEICA DM4000M顯微鏡觀察零件表面，發(fā)現(xiàn)圖2所示，裂紋呈現(xiàn)網(wǎng)狀。
圖2 零件表面形貌（100×）
圖3 零件橫截面金相（100×）
圖4 零件橫截面金相（500×）
為了更清楚地顯示裂紋形貌，對零件切割進行了橫截面顯微觀察，金相制樣未腐蝕后觀察發(fā)現(xiàn)了許多由表面向內(nèi)擴展延伸的裂紋，結(jié)果如圖3、圖4所示。圖3是一條從表面向內(nèi)延伸的裂紋，裂紋長度約為200μm。裂紋附近未見非金屬夾雜物，圖4顯示裂紋呈現(xiàn)出曲折、間斷的相似形貌，而且裂紋體的有些部位出現(xiàn)了分叉現(xiàn)象。說明淬火時較大的內(nèi)應(yīng)力(包括組織應(yīng)力和熱應(yīng)力)使得材料表面多處發(fā)生了開裂。
圖5 裂紋處金相組織（500×）
圖6 內(nèi)部金相組織（500×）
對橫截面金相樣品腐蝕后觀察如圖5、圖6所示，零件為正常部位與裂紋處組織均為正常的GCr15淬回火組織：回火隱針馬氏體+碳化物+殘留奧氏體，未見過熱及過燒的粗大晶粒級粗大的網(wǎng)狀碳化物。裂紋兩側(cè)未見明顯脫碳，說明裂紋形成與淬火加熱后。
2.表面網(wǎng)狀裂紋產(chǎn)生的原因分析
零件均為GCr15高碳合金鋼制造的壁薄壁零件,熱油淬火時極易淬透。因馬氏體與奧氏體如表3所示其比容存在差異以及奧氏體、馬氏體與碳化物熱膨脹系數(shù)的巨大差異，零件淬火時會產(chǎn)生很大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。
表3 鋼中各種相的比容
相組成 | wC（%） | 比容/(cm3/g) |
奧氏體 | 0～2 | 0.1212+0.033（%C) |
馬氏體 | 0～2 | 0.1271+0.0025（%C) |
零件在淬火過程中表層先冷，中心后冷，存在表心溫差，在冷卻初期表層下降比心部快，表層較大收縮收心部的牽制，表層產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于心部的馬氏體相變落后于表面,且馬氏體比容大于奧氏體，因此零件表面的存在組織壓應(yīng)力,但是由于表面存在脫碳，淬火過程中降低了心部奧氏體與表面馬氏體的比容差，降低了表面本來應(yīng)該有的壓應(yīng)力。表面脫碳層造成淬火后內(nèi)層馬氏體含碳量高于表面馬氏體含碳量，由表3可以得出內(nèi)部的馬氏體的比容大于表面馬氏體比容，這樣表面形成的馬氏體與內(nèi)部的馬氏體體積差大，使表面造成很大的拉應(yīng)力，當上述總應(yīng)力超過零件本身強度即導(dǎo)致零件開裂，形成表層的張開型淬火裂紋。
3.結(jié)語
（1）該批GCr15鋼制零件出現(xiàn)表面網(wǎng)狀裂紋，應(yīng)當報廢處理。
（2）零件裂紋形成與淬火后，由淬火后應(yīng)力造成。
（3）GCr15鋼制零件熱處理過程中，應(yīng)當防止表面脫碳。
作者：劉愛龍
單位：山東常林機械集團股份有限公司節(jié)能液壓元件及系統(tǒng)國家重點實驗室
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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