陳煒，王曉燕，郝建國，包翠敏，林彬，曲德毅

S43100型鋼為一種馬氏體不銹鋼，具有高的耐蝕性和良好的力學(xué)性能，在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。壓縮機中主軸使用的材料多為40NiCrMo7、12Cr13等，但由于材料在硝酸環(huán)境中的耐蝕性不如S43100型不銹鋼，因此，在硝酸環(huán)境中的主軸首選材料為S43100型不銹鋼。

某公司生產(chǎn)的直徑550mm的階梯主軸，此材料主軸進廠后經(jīng)過粗加工，然后進行正火（空冷）+淬火（油冷）+回火（油冷）+回火（空冷）處理。但是主軸在熱處理完成后發(fā)現(xiàn)臺階部分出現(xiàn)裂紋，開裂工件實物見圖1，臺階處斷裂形式為脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。本文通過對工件開裂進行分析，探究裂紋產(chǎn)生的過程和產(chǎn)生機理。

1. 失效分析過程與結(jié)果

對于S43100不銹鋼來說，當Cr含量超出規(guī)范時，由于Cr封閉γ區(qū)的結(jié)果，鐵素體將顯著增加。隨著鐵素體的大量存在，其沖擊韌度下降，易引起主軸開裂，所以對主軸進行化學(xué)成分測試。其測試結(jié)果見表1，成分符合標準要求，可以排除化學(xué)成分對材料的影響。

過熱不僅在淬火后產(chǎn)生粗大的馬氏體組織，而且易于引起淬火開裂。然后對主軸試樣進行金相顯微組織觀察，其顯微組織如圖2所示，為回火索氏體、少量淬火馬氏體以及塊狀分布的鐵素體為正常的調(diào)質(zhì)組織，故可排除原材料和熱處理過熱的影響。

對主軸進行外觀形貌觀察，其實物如圖3所示。由圖可知，主軸的臺階部分沒有進行倒圓處理，工件淬火的目的是獲得高硬度、高強度的馬氏體，即由高溫的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槌叵碌鸟R氏體組織。因此，材料在淬火過程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，臺階部分如果采用直角過渡，則易導(dǎo)致主軸由于應(yīng)力集中引起開裂。

《鋼件的淬火熱處理變形與控制》文獻中指出，淬火開裂的主要原因是冷卻過快而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力及相變應(yīng)力。在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中，開裂是由于形成馬氏體的體積膨脹引起的。出現(xiàn)開裂必定存在著應(yīng)力梯度，即應(yīng)力集中。常見的應(yīng)力梯度有兩種，其中包括尖角因素。

綜合文獻和主軸的外觀形貌可以看出，主軸的臺階部分以直角過渡是造成主軸開裂的一個主要原因。

另外，主軸熱處理工藝為正火1020℃保溫12h，空冷，然后淬火，由于S43100鋼為馬氏體不銹鋼，1020℃空冷即得淬火馬氏體，對于馬氏體不銹鋼來說，具有硬而脆的特點，且其淬火應(yīng)力很大。但正火后進行1000℃保溫12h，然后油冷的淬火處理，會造成內(nèi)應(yīng)力進一步增大，增加主軸臺階部分開裂趨勢，雖然在720℃保溫1h，但保溫時間較短，組織轉(zhuǎn)變并不完全，對于內(nèi)應(yīng)力的消除作用不大。

綜合以上分析結(jié)果，材料的化學(xué)成分符合標準中的要求，通過金相顯微組織可以看出組織為回火索氏體、少量淬火馬氏體，以及塊狀分布的鐵素體，為正常的顯微組織，所以可以排除材料及熱處理過熱的原因。可以認為主軸的開裂是發(fā)生在熱處理過程中，并且認為主軸的臺階部分以直角過渡是造成此次主軸淬火開裂的主要原因。

2. 改進措施

對主軸臺階部分進行倒圓處理，以圓角進行過渡，可以緩解材料在熱處理過程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，減少主軸開裂的趨勢。另外，在正火處理后增加回火處理，目的是調(diào)整鋼的內(nèi)部組織，將其粗大的組織進行細化，消除內(nèi)應(yīng)力，使其達到對后續(xù)的調(diào)質(zhì)處理有利的原始組織；重新調(diào)質(zhì)處理，目的是使晶粒得以細化。

通過此方案，對另一件主軸進行粗加工→正火→回火→淬火→回火，最后進行精加工，并未發(fā)現(xiàn)有裂紋存在，所以此方案是可行的。

表1 S43100不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

3. 結(jié)語

（1）主軸的開裂是發(fā)生在熱處理過程中。

（2）主軸臺階部分直角過渡是造成主軸開裂的主要原因。

（3）正火后直接進行淬火增加了主軸開裂的趨勢。