GCr15钢轴承圈压开断口检测与分析
1.状态说明
GCr15钢轴承圈经过热加工锻造后球化退火处理,最终热处理为淬回火处理,以便提高工件强度和表面耐磨性。外圆及内孔经过磨削加工,然后在63KN的压断机上压成两半后使用。正常加工的产品,压开后应该为较为平整的断口。图示上部为轴承厂家提供的轴承圈样品,压开断口为平直的边缘。图示下部为公司自行处理的轴承圈产品,压开处为凹凸不平的断口。左下角轴承圈内壁表层为开裂的起始部位,裂纹源明显可见多源台阶,并呈脆性放射状向右上角扩展至外表层处断裂。外表层处有倾斜的细瓷状终断区剪切唇(见图1)。
距轴承圈高度中心,垂直于断面线切割截取样块。镶嵌件的上部为轴承厂家的压断件,右侧为压开的断口,断口较为平整,该样块编号为1#样件。镶嵌件下部为公司自行处理的压断件,右侧同样为压开的断口,呈圆弧状凹凸不平的断口,样块的内壁表层可见明显的白亮层,该样块编号为2#样件(见图2)。
2.化学分析
分别从1#、2#样件的轴承圈上截取样块,尺寸为长25mm×宽25mm×厚15mm,进行化学成分检测,检测设备为Labspark精密直读火花光谱仪。检查结果(见附表)表明,化学成分符合材料标准要求。
原材料化学成分(质量分数)的检查结果(%)
3.金相检测
(1)1#样件检测压开的断口处表面为平直的穿晶特征形貌,表层未见氧化脱碳现象,次表层为隐针状马氏体+颗粒状碳化物+少量残留奥氏体(见图3)。心部组织同样为隐针状马氏体、颗粒状碳化物及少量残留奥氏体,黑白区分布相当明显,这是轴承钢较低温度加热淬火的特征组织,应该属于正常的轴承钢淬回火组织(见图4)。
断面的局部区域为沿圆弧坑开裂的细晶状断口,断续分布的圆弧坑属于非金属夹杂物的脱落坑。在颗粒状夹杂物较多的部位,由于夹杂物与基体组织的结合力较弱,裂纹沿夹杂物边缘扩展。次表层及心部组织仍然为隐针状马氏体+颗粒状碳化物+少量残留奥氏体,心部存在少量的带状碳化物(见图5~图6)。
(2)2#样件检测轴承圈内壁表层处白亮层较为严重,白亮层为近似等轴状分布的铁素体组织,属于高温高氧化气氛形成的全脱碳层,经测量全脱碳层深度达0.15mm,该组织的强度非常低(见图7)。白亮层以下色泽较深的为贫碳层,贫碳层深度为0.10mm,组织为隐针状马氏体及少量残留奥氏体。由于贫碳层的碳势较低,白色颗粒状碳化物析出较少(见图8)。
轴承圈内壁左侧为开裂起始部位,表面脱碳层较为明显,裂纹的开口处将全脱碳层劈开,断口的起始部位有晶粒脱落的脆性开裂现象(见图9)。断口扩展呈沿晶开裂的特征形貌,有些区域晶粒已经大量脱落,断口二次裂纹的沿晶开裂特征更为明显(见图10)。
断口附近存在大量的晶间熔洞,这是低熔点非金属夹杂物熔融的特征组织。同时伴有晶粒脱落的孔洞以及氧化物浸润的沿晶二次裂纹。表明热加工锻造过程中,加热温度较高,晶界弱化,晶间结合力显著降低,在锻造应力作用下局部已经形成锻造热裂纹(见图11)。试样的心部同样存在较明显的晶间熔洞组织,颗粒状碳化物分布也不太均匀(见图12)。
4.结论与分析
夹杂元素硫以化合物的形态存在于钢铁材料的基体中,它首先与锰结合形成℃高熔点硫化锰,剩下的硫与铁结合形成℃左右低熔点硫化铁以及℃共晶硫化铁,硫化铁以及共晶硫化铁才是形成晶间溶洞的低熔点夹杂物。硫化物夹杂虽然没有氧化铝夹杂的危害性大,但较多量的硫化物也对基体组织造成损伤,降低材料强度,增加材料脆性,极易形成锻造热裂纹。带状碳化物的存在,同样降低材料强度和韧性,严重的带状碳化物更加能够割断基体的连续性。
1#样件的断口较为平整,以穿晶断裂特征为主,局部呈现沿颗粒状夹杂物开裂的圆弧坑,这是低熔点硫化物夹杂分布不均匀造成的。2#样件锻造加热温度过高,晶界宽化,晶间弱化,甚至形成低熔点夹杂物熔融的晶间熔洞,材料强度显著降低,在锻造应力作用下,局部区域产生沿晶开裂的微裂纹。也正是由于锻造的高温加热,使裂纹内充满高温氧化物。锻件既存热锻开裂的沿晶微裂纹,以及内壁表层较严重的脱碳层,进一步降低材料的抗拉强度,使工件在压断过程中形成多台阶的应力集中裂纹源,然后形成放射状扩展的脆性断裂特征。
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