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GCr15鋼制零件裂紋分析【案例分享】

案例分享:GCr15鋼制零件裂紋分析 

某公司新進(jìn)一批GCr15鋼制零件,進(jìn)廠檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋。隨后對(duì)本批零件進(jìn)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(duì)零件表面和內(nèi)部使用OBLF直讀光譜儀進(jìn)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?jǐn)?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(cè)結(jié)果

0.991

0.211

0.305

0.012

0.005

1.465

表面檢測(cè)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?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比可以看出,零件表面存在脫碳現(xiàn)象。


(2)金相組織觀察 對(duì)零件進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn),檢驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

非金屬夾雜物類型

GB/T18254要求

檢測(cè)結(jié)果

細(xì)系

粗系

細(xì)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(duì)零件表面進(jìn)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(duì)零件切割進(jìn)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(kuò)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(shí)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(duì)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(jí)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(shí)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(shí)會(huì)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(dāng)上述總應(yīng)力超過零件本身強(qiáng)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(dāng)報(bào)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(dāng)防止表面脫碳。

作者:劉愛龍

單位:山東常林機(jī)械集團(tuán)股份有限公司節(jié)能液壓元件及系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

來源:《金屬加工(熱加工)》雜志

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