■ 史可慶，劉 哲，劉永超

2017年5月接到某公司邀請，分析解決該公司設(shè)備失效問題。到廠后對于此失效設(shè)備進行了初步調(diào)查取證：此失效件為齒輪上的固定螺栓，螺栓頭部與本體斷開失效。溝通得知本產(chǎn)品的相關(guān)信息，螺栓為購買的軋制半成品，材質(zhì)為20MnTiB。自行熱處理后使用，工藝為：860℃保溫后淬火，然后420℃回火。成品硬度為33～40HRC，抗拉強度Rm≥1030MPa，淬火后心部90%以上為馬氏體。調(diào)取熱處理操作記錄和監(jiān)控，排除工藝執(zhí)行問題引發(fā)失效的可能性。

1. 宏觀分析

失效螺栓為在齒輪上的固定螺栓，螺栓頭部與本體斷開失效，頭部內(nèi)端面有明顯的撕裂失效形貌，且有明顯貝紋線。該螺栓外表面是經(jīng)過涂層處理的，有銀色涂層存在，如圖1所示。

2. 理化分析

（1）光譜分析 將螺栓頭部外端面用銑床銑掉表層涂層，進行光譜分析和硬度測試如圖2所示，結(jié)果如表1、表2所示。

圖1 失效螺栓宏觀形貌

表1 外表面化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

根據(jù)表1的結(jié)果分析，成分符合20MnTiB的要求，且無明顯的成分偏析狀況。

（2）硬度檢驗 將螺栓頭部沿著中心軸線鋸切為兩半，磨制試樣，然后在內(nèi)端面進行硬度檢驗如圖3所示。

分析結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2的結(jié)果分析內(nèi)外表面硬度均符合32～39HRC要求，根據(jù)DIN50150標(biāo)準(zhǔn)推算強度也符合Rm≥1040MPa的要求。

（3）金相檢驗 將剖切面進行磨制拋光，進行金相分析，在剖切面一側(cè)發(fā)現(xiàn)靠近內(nèi)端面有一處裂紋，裂紋方向與內(nèi)端面平行，裂紋距內(nèi)端面最大距離305.35μm，距內(nèi)端面最小距離54.25μm。并且在裂紋擴展方向處存在超寬的硫化物夾雜，在裂紋附近也存在超尺寸硫化物夾雜，結(jié)果如圖4、圖5所示。對剖切面根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T10561—2005進行夾雜物評級，結(jié)果如表3所示。

將拋光面用4%硝酸酒精腐蝕后觀察并拍攝其金相組織，可以看出：內(nèi)端面附近和外端面附近金相組織無脫碳現(xiàn)象，靠近裂紋處的金相組織存在嚴(yán)重脫碳現(xiàn)象（白亮區(qū)域），結(jié)果如圖6所示；根據(jù)GB/T6394—2002標(biāo)準(zhǔn)中氧化法處理試樣，比較法評判晶粒度級別，級別為7.5級，結(jié)果如圖7所示。根據(jù)圖6、圖7所示，剖切面金相組織均為回火屈氏體，符合淬火+中溫回火工藝，滿足90%淬火馬氏體要求，但裂紋附近存在明顯的脫碳現(xiàn)象，表征該位置處在淬火前存在缺陷，使得淬火加熱過程中該位置存在氧化脫碳狀況。

圖2 外表面分析測試

圖3 剖切后分析測試

圖4 剖切面拋光后宏觀形貌

圖5 剖切面拋光后微觀照片

表2 硬度檢測結(jié)果 （HRC）

3. 分析與討論

（1）硫具有熱脆性。硫在固態(tài)鐵中溶解度極小，它能與鐵形成低熔點（1190℃）的FeS。FeS+Fe共晶體的熔點更低（989℃）。這種低熔點的共晶體一般以離異共晶形式分布在晶界上。鋼進行熱加工（鍛造、軋制）時，加熱溫度常在1000℃以上，這時晶界上的FeS+Fe共晶熔化，導(dǎo)致熱加工時鋼的開裂。在裂紋擴展方向處存在超寬的硫化物夾雜，且在裂紋附近也存在超尺寸硫化物夾雜，因此判斷硫化物夾雜是誘發(fā)裂紋擴展的重要因素。

（2）斷裂韌度表征金屬材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)應(yīng)力達到了材料的斷裂強度，裂紋便失穩(wěn)擴展而導(dǎo)致材料斷裂，這個臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的K1值，稱為斷裂韌度。鋼中非金屬夾雜物在裂紋尖端的應(yīng)力場中，若本身脆裂或在相界面開裂而形成微孔，微孔和主裂紋連接使裂紋擴展，從而使K1值降低。

（3）硫的有害影響主要取決于MnS的數(shù)量、延伸程度和分布狀況。Baker等通過測定含硫易削鋼中硫化物的塑性，得出了不同軋制溫度和硫化物相對塑性的關(guān)系。Ⅰ、Ⅲ兩類MnS的相對塑性都隨著軋制溫度的下降而增高，Ⅰ類MnS在熱軋中的變形比基體小，最大相對塑性為0.64，對應(yīng)的溫度為900℃，Ⅲ類MnS的變形最大，在800℃其相對塑性為1.0，Ⅱ類MnS的相對塑性也隨軋制溫度的降低而增加，其塑性介于Ⅰ類和Ⅲ類之間。Sims等將硫化物夾雜分為三類，典型沸騰鋼中是Ⅰ類硫化物,鎮(zhèn)靜鋼中常見的是Ⅱ類硫化物。鋼中不希望有第Ⅱ類MnS夾雜。軋制后的MnS形狀分為條形、紡錘形、橢球形。

（4）鋼中夾雜物屬于與基體結(jié)合較弱的脆性相，加之最大應(yīng)力往往集中在夾雜物與鋼基體界面上，少量的應(yīng)變便會使夾雜物與鋼基體界面形成孔洞。塑性較好而與基體結(jié)合較弱的硫化物在應(yīng)力作用下會較早地在硫化物與基體間的界面處開裂，形成分離裂紋。裂紋先以與應(yīng)力軸呈一定角度擴展到組織偏析帶內(nèi)，然后沿偏析帶擴展。

圖7 剖切面晶粒度照片（7.5級）

表3 剖切面夾雜物分析結(jié)果

4. 結(jié)論與建議

（1）靠近內(nèi)端面的該處裂紋在淬火前時段產(chǎn)生，并在淬火后和使用過程中產(chǎn)生裂紋擴展和瞬斷情況。

（2）螺栓失效的直接原因為近內(nèi)表面處存在缺陷，熱處理過程中缺陷加劇，形成裂紋，導(dǎo)致螺栓短期服役時間內(nèi)產(chǎn)生疲勞斷裂。

（3）超尺寸的硫化物夾雜使得工件在熱成形時極易產(chǎn)生微孔或裂紋，使得裂紋在硫化物附近形成，此為主要原因之一。

（4）工件經(jīng)過淬火后加劇裂紋的擴展，使得斷裂韌度加劇降低，大大降低螺栓服役時間，此為失效的重要原因之一。

（5）在執(zhí)行熱處理工藝前，對待處理工件進行MT或UT檢測，確保工件滿足淬火處理的條件。

[1] 劉克儉，王祖寬，楊桂榮.鋼中硫化物夾雜的產(chǎn)生及其形態(tài)控制[J].河北理工學(xué)院學(xué)報，2001，23（1）：21-23.

[2] 陳學(xué)群，孔小東，楊思誠.硫化物夾雜對低碳鋼孔蝕擴展的影響[J].中國腐蝕與防護學(xué)報，2000，20（2）：65-72.

[3] 常開地，趙煥春，張慧峰，等.含硫非調(diào)質(zhì)鋼軋后硫化物夾雜形貌的觀察[J].金屬熱處理，2006，31（9）：60-64.

[4] 馬惠霞，李文竹，黃磊，等.軸承鋼中硫化物夾雜疲勞裂紋的微觀分析[C].全國冶金物理測試信息網(wǎng)建網(wǎng)30周年學(xué)術(shù)論文集，2011：134-136.