40Cr钢承重连接杆开裂原因.pdf

51质量控制与失效分析2023年第59 卷PTCA(PARTAPHYS.TEST.)理化检验-物理分册D0I:10.11973/lhjy-wl20230701340Cr钢承重连接杆开裂原因汪春梅，王春燕，章发，介瑞华，钱万来，杨伟勇（1.芜湖新兴铸管有限责任公司检测中心，芜湖2 410 0 0；2.芜湖新兴铸管有限责任公司研究院，芜湖2 410 0 0）摘要：在对经调质处理的40 Cr钢承重连接杆进行精加工时，发现其外表面发生横向开裂。采用宏观观察、化学成分分析、气体分析、金相检验及硬度测试等方法分析了该连接杆开裂的原因。结果表明：该连接杆开裂的原因是热处理工艺不当，导致组织未被淬透；在零件内槽变形处的加工精度不足，产生了应力集中，导致弧形裂纹延伸至表面。采用调整淬火工艺参数、将冷却介质改为水基淬火液、优化工件车削精度、将过渡区域改为圆角等方法可以提高产品的合格率。关键词：40 Cr钢；承重连接杆；横向开裂；淬火裂纹中图分类号：TB31；T G 115.7文献标志码：B文章编号：10 0 1-40 12（2 0 2 3)0 7-0 0 51-0 4Reasons for crackingg of 40Cr steel load bearing connecting rodWANG Chunmei,WANG Chunyan,ZHANG Fa,JIE Ruihua,QIAN Wanlai,YANG Weiyong?(1.Testing Center,Wuhu Xinxing Ductile Pipes Co.,Ltd.,Wuhu 241000,China;2.Research Institute,Wuhu Xinxing Ductile Pipes Co.,Ltd.,Wuhu 241000,China)Abstract:During precision machining of the quenched and tempered 4oCr steel load bearing connecting rod,the transverse cracking was found on its outer surface.The causes of cracking of the connecting rod were analyzedby macroscopic observation,chemical composition analysis,gas analysis,metallographic examination,and hardnesstesting.The results show that the reasons for the cracking of the connecting rod were due to improper heattreatment process,which resulted in the microstructure not being quenched thoroughly.Insufficient machiningaccuracy at the deformation of the inner groove of the part resulted in stress concentration,led to arc-shaped cracksextended to the surface.By adjusting the quenching process parameters,changing the cooling medium to water-based quenching liquid,optimizing the turning accuracy of the workpiece and changing the transition area to roundedcorners,the qualification rate of the product could be improved.Keywords:40Cr steel;load bearing connecting rod;transverse cracking;quenching crack40Cr钢常用于制作承重连接杆、转向节等中碳结构钢零部件，其质量对产品使用的安全至关重要。40 Cr钢的热处理方式为加工后直接淬火，对热轧圆钢进行调质处理可以节约能源、降低成本、提高材料的力学性能 2 。40 Cr钢的淬透性较差，其淬火介质选用不当易使材料出现淬火畸变、开裂倾向增大、原奥氏体晶粒粗大、晶粒尺寸不均匀等问题 3-4某制造厂选用直径为12 0 mm的热轧40 Cr圆收稿日期：2 0 2 2-0 9-16作者简介：汪春梅（19 8 5一），女，硕士，高级工程师，主要从事钢产品物理检测及失效分析工作通信作者：杨伟勇，钢，将其加工成直径为115mm、高度为58 mm、内径为9 0 mm、深度为13 mm的摩天轮承重连接杆。该承重连接杆的加工工艺流程为：原材料下料粗车调质精加工检验人库。在精加工时，发现该承重连接杆表面出现裂纹。笔者采用宏观观察、化学成分分析、气体分析、金相检验及硬度测试等方法对裂纹产生的原因进行了分析，并提出了改进措施，以避免该类事故再次发生。1理化检验1.1宏观观察采用物质的量浓度为5.0 mol/L的盐酸水溶液对开裂连接杆进行清洗，然后对其进行宏观观察，结52汪春梅钢承重连接杆开裂原因理化检验-物理分册果如图1所示。由图1可知：外表面裂纹近似平行于圆周方向，长度约为110 mm；台阶侧面车痕明显，底面台阶处可见整圈小锯齿状裂纹；沿裂纹处人工打开，发现试样的裂纹源由台阶内侧向外表面扩展，裂缝宽度逐渐由粗变细，左侧靠近内部位置存在严重的锈蚀现象a)表面裂纹b)台阶处c)人工打开断口图1开裂连接杆的宏观形貌1.2化学成分分析在开裂连接杆上取样，采用直读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：该连接杆的化学成分满足GB/T30772015合金结构钢对40 Cr钢的要求。表1开裂连接杆的化学成分分析结果%质量分数项目CSiMnPSCrCuNiMo实测值0.400.220.750.0160.0060.990.0240.0140.005标准值0.370.440.170.370.500.800.0300.0300.801.100.300.3000.1001.3气体分析利用氧氮氢联测仪对该连接杆进行气体分析，结果表明：经精炼后，钢水中氧气的质量分数为0.00002%，氢气的质量分数为0.0 0 0 0 0 15%；热轧圆钢中氧气的质量分数为0.0 0 0 0 16%，氢气的质量分数为0.0 0 0 0 0 0 0 5%。气体分析结果表明，该连接杆的气体含量均低于产品的技术要求。1.4金相检验在开裂连接杆的截面处取样，将试样研磨、抛光后，用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液对其进行腐蚀，再将其置于光学显微镜下观察，试样的微观形貌如图2 所示。由图2 可知：横向裂纹附近的组织为90um100ma)横向裂纹b)近表面处100um100umc）纵向裂纹（抛光态）d）纵向裂纹（腐蚀态）图2开裂连接杆的微观形貌53汪春梅40Cr钢承重连接杆开裂原因理化检验-物理分册回火索氏体十细珠光体十铁素体；试样近表面处的组织为回火索氏体十少量的铁素体，内部裂纹处的组织与近表面处的组织存在明显差异；纵向裂纹较长，且延伸至外表面，裂纹尖端较细，裂纹两侧无脱碳，可见氧化物1.5非金属夹杂物评定在裂纹附近取样，将试样磨制、抛光后进行非金属夹杂物评定，结果如表2 所示，可见其A、B、C、D类细系均低于1.0 级，粗系为0 级，大颗粒夹杂Ds类低于1.5级，满足标准要求。表2开裂连接杆的非金属夹杂物评定结果级A类B类C类D类项目Ds类细系粗系细系粗系细系粗系细系粗系实测值0.501.00000.501.5标准值2.52.02.51.51.51.01.51.02.01.6硬度测试采用全自动硬度计对开裂连接杆进行硬度测试。鉴于试样裂纹附近的组织与近表面处的组织存在明显差异，故对该试样裂纹以上的位置进行硬度测试，结果如表3 所示。由表3 可知：靠近裂纹区域的硬度为2 2.2 2 4.6 HRC,平均值为2 3.8 HRC；外表面附近的硬度为2 9.9 3 0.7 HRC，平均值为30.2HRC,裂纹处和外表面处的硬度相差较大。说明该连接杆的淬透性较差，造成其硬度不均匀 5表3开裂连接杆的硬度测试结果HRC测试位置实测值1实测值2实测值3平均值裂纹处22.224.624.623.8外表面29.930.730.030.22综合分析弧形裂纹是一种火裂纹，裂纹源自零件的内部、棱角、截面突变处、凹槽等局部区域6-7，常发生在未淬透或渗碳火的零件中。零件表面经火处理后，在硬化与非硬化区间会出现较大的切应力或轴向拉应力，造成过渡区产生裂纹。由宏观观察结果可知，裂纹起始于台阶处内壁底部，并扩展延伸至零件表面。由化学成分和气体分析结果可知，零件的化学成分符合标准要求，氧气、氢气等气体含量符合产品技术要求，因此可以排除因氧气含量超标导致的气泡缺陷或氢气含量超标导致的白点缺陷。裂纹附近的显微组织为回火索氏体十细珠光体十铁素体，高温奥氏体中析出的铁素体为欠热组织，其产生原因为热处理时的加热温度低于奥氏体的转变温度，淬火时冷却速率偏低，得到了分解产物细珠光体，裂纹区呈淬火裂纹的典型特征 8-9 ；试样边缘近表面处的组织为回火索氏体十少量铁素体，裂纹处与近表面处的显微组织存在明显差异。由硬度测试结果可知，连接杆内部截面的硬度相差较大，导致热处理时淬火开裂倾向增大，原因是截面的厚度不均匀，淬火冷却过程中，厚度不同的部位马氏体转变不同，厚度较大的部位发生组织转变时会引起体积膨胀，并产生拉应力，使连接处产生应力集中，最终形成淬火裂纹 10-11综合上述分析可知，该承重连接杆表面裂纹的产生原因为热处理工艺不当导致零件内部的组织分布不均匀，且连接杆侧面车痕明显，在调质过程中产生了组织应力和内应力，零件容易沿过渡区发生开裂，裂纹延伸至表面，最终导致连接杆外表面发生开裂。3改进措施及效果3.1改进措施优化热处理工艺，适当提高火温度并延长保温时间，以获得更均匀的奥氏体，避免产生铁素体。选取合适的淬火液，加快零件的冷却速率。改进前、后的热处理工艺参数如表4所示，改进后，零件得到了均匀的回火索氏体，表4改进前、后的热处理工艺参数工艺淬火温淬火保温淬火冷回火温回火保温回火冷类型度/时间/min却介质度/时间/h却介质改进前840150油5205水改进后865180水溶性火液5205水选择合理的工件设计，减少应力集中。提高热处理前工件的加工精度，将台阶变形处的过渡区改为圆弧角过渡。采用的圆角半径为8 mm，表面粗糙度为1.6 m。3.2改进效果按上述工艺改进后，车加工过程中并未在连接杆上发现该类裂纹缺陷。对改进后的连接杆进行金相检54（上接第50 页）NNNN汪春梅40Cr钢承重连接杆开裂原因理化检验-物理分册验，结果如图3 所示，发现试样近表面处的组织与凹槽台阶处的组织差异较小,均为均匀的回火索氏体。50um100ma)近表面处b)凹槽台阶处图3改进后连接杆的显微组织形貌4结论及建议（1）承重连接杆表面裂纹产生的原因是热处理工艺不当，淬火温度较低，导致零件未被淬透，且零件外表面的加工车痕明显，使尺寸变形处产生了应力集中，最终导致该连接杆发生开裂。（2）建议优化热处理工艺参数，将淬火温度调整至8 6 5，淬火保温时间延长至18 0 min，冷却介质改为水基淬火液，改进后连接杆调质组织均匀。（3）建议提高热处理前零件的加工精度，将易受应力集中的过渡直角区域改为具有一定弧度的圆角，以避免产生应力集中。参考文献：1李海明.40 Cr钢汽车半轴断裂原因分析 J.理化检验（物理分册），2 0 16，52（8）：58 9-59 3.2朱腾，郑明玉，陈国强，等.40 Cr钢汽车转向节锻造余热淬火的研究 J.热处理，2 0 17,3 2（6）：2 2-2 5.3祁斌，周文华，范志君，等.40 Cr钢转向节轴部直径对围基体被腐蚀，并形成了腐蚀坑，宏观表现为黑点。参考文献：1克束长林，王炯，王明镜，等.一种基于滚动轴承整合设计的风电行星轮内孔的磨削方法.机械工程师，其淬火态组织和硬度的影响 J.上海金属，2 0 2 2，44(1):8-11.4姜金星，宁勤恒，董俊媛，等.NM450耐磨钢板开裂原因分析 JI.上海金属，2 0 19，41（4）：6 3-6 6.5李亚欣，刘雅政，赵金锋，等.P110级石油套管淬火裂纹分析 J.金属热处理，2 0 10，3 5（5）：8 8-9 2.6王忠诚.热处理常见缺陷分析与解决方案 M.北京：化学工业出版社，2 0 2 1.7汪春梅.40 Cr热轧圆钢剪切开裂原因分析及改进工艺 J.特殊钢，2 0 2 1，42（3）：52-56.8肖乾发，梁霄鹏，姚春臣，等.3 0 CrMnSi钢筒形件旋压开裂的原因及改进措施J.理化检验（物理分册），2021,57(11):75-78.9陈亮，徐浩杰，刘丽，等.43 40 钢齿轮断齿原因 J.理化检验（物理分册），2 0 2 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