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CrMo合金材料:42CrMo4 套筒 失效分析

CrMo合金材料:42CrMo4套筒失效分析 

最近接觸到一批長筒工件(見圖1),在成品回廠驗(yàn)收時(shí),發(fā)現(xiàn)4件產(chǎn)品內(nèi)孔表面有裂紋,對(duì)其中最為典型的以一件進(jìn)行剖切取樣分析,如圖2、圖3所示。

1.理化檢測(cè)及其結(jié)果

(1)化學(xué)成分

利用直讀光譜儀檢測(cè)H1試樣的化學(xué)成分,結(jié)果如表1所示。

1  H1試樣光譜化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))    %

元素

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

Ni

Cu

標(biāo)準(zhǔn)EN10083-3

0.380.45

0.40

0.600.90

0.025

0.025

0.901.20

0.150.30

實(shí)測(cè)

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(jì)檢測(cè)H1和B1試樣壁厚方向的硬度值,其結(jié)果如表2所示。

2  H1B1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(jìn)行磨拋(N面為內(nèi)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(tài),如圖5所示。然后利用4%硝酸酒精溶液對(duì)磨拋面進(jìn)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(tài)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(jìn)行磨拋并侵蝕(N為內(nèi)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(tài)及其附近顯微組織。

B1試樣內(nèi)孔表面匯聚了多條裂紋,在顯微鏡下,其形態(tài)如圖9所示。然后利用4%硝酸酒精進(jìn)行侵蝕,觀察內(nèi)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(tài)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(jié)果分析

從以上分析結(jié)果來看,該件所用原材料化學(xué)成分符合EN 10083-3中42CrMo4的要求,未發(fā)現(xiàn)有含量超標(biāo)的元素。從截取的試塊硬度檢測(cè)結(jié)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(shí)工件已淬透,并且回火充分。


從套筒實(shí)際熱處理過程來看,其實(shí)際熱處理工藝曲線如圖13所示,生產(chǎn)過程未發(fā)現(xiàn)異常。

從試樣磨拋后觀察到的裂紋形態(tài)來說,試樣H1和試樣B1內(nèi)孔表面和壁厚方向上裂紋尖端均呈現(xiàn)比較尖銳的特點(diǎn),其擴(kuò)展路徑上則呈現(xiàn)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(gè)試樣裂紋附近的顯微組織均為回火索氏體,未發(fā)現(xiàn)大塊狀鐵素體及長條狀鐵素體分布,裂縫兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)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(shí)際上,對(duì)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(nèi)孔比較長,內(nèi)徑較小且壁厚屬于42CrMo4鋼,可以完全淬透的范圍,淬火時(shí)組織應(yīng)力比較大。同時(shí),對(duì)于內(nèi)徑較小的深孔零件,由于內(nèi)表面比外表面冷卻速度小得多,殘余熱應(yīng)力的作用小,則受到的拉應(yīng)力比外表面大,易在內(nèi)表面形成縱向裂紋,甚至多條并列(見圖14)。

3.結(jié)論及預(yù)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(shí)工件內(nèi)應(yīng)力過大,特別是內(nèi)孔表面拉應(yīng)力過大,造成工件內(nèi)孔表面開裂。


(2)為了避免該類裂紋的產(chǎn)生,可以采取降低淬火溫度、增加淬火介質(zhì)沿內(nèi)孔穿流速度和效率、提高終冷溫度等措施,以降低淬火應(yīng)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。

圖片加載中...
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