陳宏

(海軍駐洛陽四零七廠軍事代表室，河南 洛陽 471039)

1 概述

軸承鋼鍛件常見裂紋主要分為兩大類：一類是由于原材料存在缺陷造成的裂紋，另一類則是由于鍛造工藝不當(dāng)造成的鍛件開裂。其中，原材料缺陷造成的裂紋主要有原材料表面裂紋、非金屬夾渣、皮下氣泡、白點(diǎn)以及縮管殘余等；而鍛造工藝不當(dāng)造成鍛件開裂則主要包括鍛造折疊、鍛造過燒、鍛造濕裂及鍛造撕裂等。由于形成裂紋的成因不同，導(dǎo)致裂紋的形貌特征及微觀組織也存在一定的差異，所選擇的分析方法及手段也不盡相同。因此，針對(duì)某一案例究竟應(yīng)該采取何種分析思路、選擇何種分析方法才能快速、準(zhǔn)確且經(jīng)濟(jì)地得到分析結(jié)論，這是失效分析工作所面臨的共同課題。

某公司生產(chǎn)的Ф350 mm GCr15SiMn電渣鋼鍛材，采用該批鋼材鍛制軸承套圈，下料長(zhǎng)度為570 mm，在后續(xù)的加熱鍛打過程中發(fā)現(xiàn)料鍛表面沿軸向發(fā)生開裂，比例約為10%，其形貌如圖1所示。

由于鍛件尺寸較大，將圖1所示樣品經(jīng)退火后，切取其中兩塊試樣進(jìn)行檢驗(yàn)分析，編號(hào)分別為1#和2#(圖2)。

圖1 鍛件表面開裂形貌

圖2 選取樣品外觀形貌

2 分析思路及方法選擇

根據(jù)鍛件開裂的外觀形貌認(rèn)為，導(dǎo)致表面裂紋的可能性因素有原材料表面裂紋、皮下氣泡、翻皮、鍛造過燒和表層非金屬夾渣5種。每種因素可能造成的裂紋形貌特征、微觀組織形貌及應(yīng)該采用的分析方法見表1。

表1 鍛件表面裂紋形成的可能性因素、特征及分析方法

通過對(duì)上述檢驗(yàn)與分析結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，最終確定導(dǎo)致鍛件表面開裂的主要原因可能是一項(xiàng)，也可能是主次兩項(xiàng)或多項(xiàng)。

3 檢驗(yàn)與分析

3.1 金相檢驗(yàn)

采用線切割法對(duì)1#和2#試樣沿缺陷橫向剖開，經(jīng)磨制后置于金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)兩試樣的表面及次表面均存在灰色異物，其中1#試樣呈現(xiàn)為點(diǎn)狀分布的夾雜物形貌(圖3)；2#試樣則呈現(xiàn)為大尺寸塊狀形貌(圖4和圖5)。考慮到兩試樣在取樣時(shí)已進(jìn)行了退火處理，并發(fā)現(xiàn)缺陷周圍分布有灰色異物，故不再進(jìn)行脫碳層檢驗(yàn)。

圖3 1#試樣缺陷表層的灰色異物

圖4 2#試樣缺陷表層的灰色異物

圖5 圖4缺陷表層灰色異物的局部放大

3.2 微觀觀察與分析

將1#和2#金相試樣采用超聲波清洗烘干后放置在JSM6380LV掃描電子顯微鏡下進(jìn)行變倍觀察，結(jié)果與金相顯微鏡觀察到的高倍形貌一致(圖6～圖9)。采用能譜儀分別對(duì)缺陷表層剖面的灰色異物微區(qū)成分進(jìn)行分析，結(jié)果表明：其主要元素為氧、鐵、硅、錳及少量的鈣等，其能譜曲線如圖10所示。由此可以確定，1#試樣缺陷表層存在的異物尺寸較小，呈現(xiàn)為顆粒狀，主要為鐵、硅及錳的氧化物；2#試樣缺陷表層存在大塊的異物，為灰色的基體上分布有深灰色的顆粒狀?yuàn)A雜物，基體成分主要為鐵的氧化物；而深灰色的顆粒狀?yuàn)A雜物的成分與1#試樣的夾雜物相似，主要為鐵、硅和錳的氧化物。

圖6 1#試樣缺陷表層異物的電鏡形貌

圖7 2#試樣(局部)缺陷表層的夾渣

圖8 圖7缺陷表層夾渣局部放大

圖9 2#試樣(局部)缺陷表層的夾渣

圖10 鍛件表面裂紋內(nèi)異物能譜圖

3.3 低倍組織檢驗(yàn)

將1#試樣的金相檢驗(yàn)樣品按照J(rèn)B/T 1255—2001標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行熱酸洗，結(jié)果表明，其低倍組織未見異常，試樣酸洗后的形貌如圖11所示。

圖11 1#樣品低倍組織形貌

3.4 斷口檢查

將1#試樣按照正常熱處理工藝處理后在缺陷部位制作斷口，可以看到，整個(gè)斷口平齊，為銀灰色細(xì)瓷狀，無鍛造過燒跡象，斷口的整體形貌如圖12所示。

圖12 1#樣品缺陷處斷口形貌

4 結(jié)果分析

根據(jù)以上觀察、檢驗(yàn)和分析認(rèn)為：(1)送檢軸承鋼鍛件的低倍組織及鍛造質(zhì)量均未發(fā)現(xiàn)異常，這說明鍛件表面開裂與低倍組織及鍛造過程無關(guān)，排除了皮下氣泡、翻皮及鍛造過燒的可能性；(2)1#和2#鍛件的缺陷表層均存在不同程度的夾雜和夾渣，其成分主要為鐵、硅和錳的氧化物，屬于冶金缺陷；大量夾渣的存在破壞了材料的連續(xù)性，其強(qiáng)度和韌性均較低，在鍛造過程中分布在材料表層的夾渣就極容易發(fā)生開裂；(3)送檢軸承鋼鍛件表層存在冶金缺陷——大尺寸夾渣，也是導(dǎo)致料段在鍛造過程中表面發(fā)生開裂的主要原因。

5 結(jié)束語

采取排除和確認(rèn)同時(shí)進(jìn)行的方法確定了送檢軸承鋼鍛件表層存在冶金缺陷是導(dǎo)致料段在鍛造過程中表層發(fā)生開裂的主要原因。案例中省略了原材料表面裂紋的排除過程，這是因?yàn)樵诮鹣鄼z驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)了大量不同形態(tài)和色澤的灰色異物，已經(jīng)基本可以排除其存在的可能性，僅僅需要對(duì)其做定性分析即可。對(duì)類似于本案的表面裂紋則推薦按照表1的思路進(jìn)行分析。