分享：45钢环断裂原因

45钢是一种优质碳素钢,经调质处理后该钢具有较高的强度,是机械制造行业常用的材料[1-3]。某公司将厚度为60 mm的45钢热轧钢板加工成内径为900 mm、外径为1 040 mm的钢环。在840 ℃下对该零件保温2 h,水淬后钢环沿直径方向断裂为两段,零件小段中心位置沿环向均匀断裂为两部分。笔者采用一系列理化检验方法分析了钢环断裂的原因,以防止该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观形貌

钢环沿轴向断裂为两部分,其中一小段部分沿环向中心又断裂为两层环形断口,小段部分外圆弧长为485 mm,约占外圆总周长的1/6,钢环和断口的宏观形貌如图1所示。由图1可知：整体断面呈现金属光泽,心部断面粗糙；断面存在从心部向四周发散的放射状条纹,说明裂纹起源于零件心部。距离钢环外表面约5 mm厚的区域呈现细瓷状,该区域为终断区。 

图  1  钢环和断口的宏观形貌

1.2   化学成分分析

在断裂的钢环上截取试样,采用电感耦合等离子体发射光谱仪对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：钢环原材料的化学成分符合GB/T 711—2017《优质碳素结构钢热轧钢板和钢带》对45钢的要求。 

1.3   扫描电镜(SEM)与能谱分析

采用扫描电子显微镜对钢环轴向和环向断面进行观察,结果如图2所示。由图2可知：轴向断口心部裂纹源区断面上可见明显的河流花样,其为解理断裂典型形貌[见图2a）]；断口外表面5 mm厚的细瓷区呈沿晶断裂形貌[见图2b）]；环向断口存在大量非金属夹杂物[见图2c）]。采用能谱仪对夹杂物进行能谱分析,结果如图3所示。由图3可知,非金属夹杂物成分主要为S元素和Mn元素,说明该夹杂物为硫化锰。 

图  2  钢环轴向和环向断面试样的SEM形貌

图  3  非金属夹杂物能谱分析结果

1.4   金相检验

在断裂的钢环上截取试样,将试样打磨、抛光后,采用5%（体积分数）的硝酸水溶液腐蚀试样,将试样置于光学显微镜上观察,结果如图4所示。由图4可知：腐蚀后试样的显微组织呈现明显差别,外表面为马氏体,心部为铁素体+珠光体,可知外表面有深度约为5 mm的淬透层,这与断口宏观形貌一致；钢环纵向截面存在A类夹杂物（硫化物）。根据GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》进行非金属夹杂物评级,A类夹杂物评级为2级（见表2）,该结果与断口上发现的大量硫化锰夹杂一致。 

图  4  钢环显微组织形貌

1.5   洛氏硬度测试

采用洛氏硬度计对淬火后钢环外表面和心部进行洛氏硬度测试,结果如表3所示。由表3可知：钢环外表面硬度平均值为56 HRC,符合该热处理工艺后的硬度水平[4],心部硬度平均值为30 HRC,可知零件表层硬度明显大于心部硬度,说明钢环存在心部未淬透现象,与显微组织一致。 

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：断裂钢环的化学成分符合GB/T 711—2017要求。裂纹从心部起始,向四周发散扩展,源区断面呈典型的解理断裂特征,外部断面呈沿晶断裂特征,钢环的断裂性质属于淬火断裂。 

淬火过程会引起钢环应力分布急剧变化,经过加热、保温和冷却3个过程,钢环会发生热胀冷缩体积变化和金属相变,由热胀冷缩引起的内应力为热应力,由金属相变产生的内应力为组织应力[5-7]。由于材料表面及中心温度的变化不同步,因此当材料表面及中心出现热处理残余拉应力,且其超过材料的抗拉强度时,材料将会断裂,形成淬火裂纹[8]。 

钢环在淬火过程中,其表面和心部的冷却速率不同,在冷却初期,表面冷却速率快,材料发生马氏体转变,在淬透区形成马氏体。钢环心部温度较高,冷却速率较慢,心部发生珠光体转变,形成铁素体+珠光体。45钢的淬透性差,钢环存在明显的淬透层与未淬透层的分界线,淬透深度只有5 mm,组织为硬度较高的马氏体,心部为硬度偏低的铁素体+珠光体,组织的差异为钢环提供了组织应力,导致热处理时淬火断裂倾向增大。钢环的尺寸较大,使用传统840 ℃水淬的热处理工艺必然使钢环产生巨大热应力,淬火冷却后期,待钢环心部冷却、体积收缩,此时热应力大于组织应力,钢环表面受压应力、心部受拉应力,且心部沿着零件环向分布大量的MnS夹杂物,在夹杂物与基体交界处产生应力集中,严重割裂基体的连续性,为微裂纹的萌生提供了条件[9-10],对心部断裂起到促进作用。当心部拉应力超过其断裂强度时,零件便会从心部开始断裂,甚至出现环向断裂观象。 

3.   结论

（1） 该钢环断裂性质为热处理过程中形成的淬火断裂。 

（2） 较高的加热温度和水冷形成的淬火应力是钢环断裂的主要原因。 

（3） 零件原材料存在沿环向分布的MnS夹杂物,严重割裂了基体的连续性,对心部断裂起到促进作用。

文章来源——材料与测试网