CrMo合金材料42CrMo4失效分析 案例分析
最近接觸到一批長筒工件（見圖1），在成品回廠驗收時，發現4件產品內孔表面有裂紋，對其中最為典型的以一件進行剖切取樣分析，如圖2、圖3所示。
1.理化檢測及其結果
（1）化學成分
利用直讀光譜儀檢測H1試樣的化學成分，結果如表1所示。
表1 H1試樣光譜化學成分分析結果（質量分數）（%）
元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu |
標準EN10083-3 | 0.38～0.45 | ≤0.40 | 0.60～0.90 | ≤0.025 | ≤0.025 | 0.90～1.20 | 0.15～0.30 | — | — |
實測 | 0.40 | 0.22 | 0.74 | 0.010 | — | 1.14 | 0.225 | 0.13 | 0.03 |
（2）硬度
利用洛氏硬度計檢測H1和B1試樣壁厚方向的硬度值，其結果如表2所示。
表2 H1和B1試樣壁厚方向硬度分布（HRC）
硬度 試樣 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值 |
H1 | 29.0 | 25.8 | 26.3 | 27.7 | 28.0 | 27.4 |
B1 | 30.3 | 30.6 | 28.7 | 29.1 | 23.6 | 28.5 |
（3）顯微組織
將H1試樣分別沿N面和K面（見圖4）進行磨拋（N面為內孔表面，K面為沿壁厚方向磨拋面），并利用顯微鏡依次觀察。N面磨拋后裂紋形態，如圖5所示。然后利用4%硝酸酒精溶液對磨拋面進行侵蝕，觀察裂紋附近顯微組織，如圖6所示。K面磨拋后的裂紋形態及侵蝕后顯微組織如圖7所示。
將B1試樣（見圖8）分別沿N面和K面進行磨拋并侵蝕（N為內孔表面，K為沿壁厚方向磨拋面），并在顯微鏡下依次觀察裂紋形態及其附近顯微組織。
B1試樣內孔表面匯聚了多條裂紋，在顯微鏡下，其形態如圖9所示。然后利用4%硝酸酒精進行侵蝕，觀察內孔表面裂紋附近顯微組織，如圖10所示。
B1試樣壁厚方向磨拋后，其裂紋形態如圖11所示。
將K面利用4%硝酸酒精溶液侵蝕后觀察裂紋附近顯微組織，如圖12所示。
2.結果分析
從以上分析結果來看，該件所用原材料化學成分符合EN 10083-3中42CrMo4的要求，未發現有含量超標的元素。從截取的試塊硬度檢測結果來看，套筒沿厚度方向硬度沒有明顯的梯度變化，這說明淬火時工件已淬透，并且回火充分。
從套筒實際熱處理過程來看，其實際熱處理工藝曲線如圖13所示，生產過程未發現異常。
從試樣磨拋后觀察到的裂紋形態來說，試樣H1和試樣B1內孔表面和壁厚方向上裂紋尖端均呈現比較尖銳的特點，其擴展路徑上則呈現出穿晶的特征，是典型的淬火裂紋。從侵蝕后的顯微組織來看，兩個試樣裂紋附近的顯微組織均為回火索氏體，未發現大塊狀鐵素體及長條狀鐵素體分布，裂縫兩側未發現明顯的氧化脫碳層。這說明，裂紋是在熱處理過程中形成的。
實際上，對于長筒成品件來說，壁厚分別為40mm（薄壁端）和52mm（厚壁端），總的來說，內孔比較長，內徑較小且壁厚屬于42CrMo4鋼，可以完全淬透的范圍，淬火時組織應力比較大。同時，對于內徑較小的深孔零件，由于內表面比外表面冷卻速度小得多，殘余熱應力的作用小，則受到的拉應力比外表面大，易在內表面形成縱向裂紋，甚至多條并列（見圖14）。
3.結論及預防措施
（1）通過本體取樣分析可知，該套筒裂紋屬于典型的淬火裂紋，是由于淬火時工件內應力過大，特別是內孔表面拉應力過大，造成工件內孔表面開裂。
（2）為了避免該類裂紋的產生，可以采取降低淬火溫度、增加淬火介質沿內孔穿流速度和效率、提高終冷溫度等措施，以降低淬火應力，避免工件開裂。
作者：尚賀軍、趙麗美、任秀鳳、鄭元孟、劉守峰、張永慶、秦英超、李智彬，山東伊萊特重工有限公司。
