GCr15鋼軸承圈壓開斷口檢測與分析
1.狀態(tài)說明
GCr15鋼軸承圈經(jīng)過熱加工鍛造后球化退火處理，最終熱處理為淬回火處理，以便提高工件強度和表面耐磨性。外圓及內(nèi)孔經(jīng)過磨削加工，然后在63KN的壓斷機上壓成兩半后使用。正常加工的產(chǎn)品，壓開后應(yīng)該為較為平整的斷口。圖示上部為軸承廠家提供的軸承圈樣品，壓開斷口為平直的邊緣。圖示下部為公司自行處理的軸承圈產(chǎn)品，壓開處為凹凸不平的斷口。左下角軸承圈內(nèi)壁表層為開裂的起始部位，裂紋源明顯可見多源臺階，并呈脆性放射狀向右上角擴展至外表層處斷裂。外表層處有傾斜的細(xì)瓷狀終斷區(qū)剪切唇（見圖1）。
距軸承圈高度中心，垂直于斷面線切割截取樣塊。鑲嵌件的上部為軸承廠家的壓斷件，右側(cè)為壓開的斷口，斷口較為平整，該樣塊編號為1#樣件。鑲嵌件下部為公司自行處理的壓斷件，右側(cè)同樣為壓開的斷口，呈圓弧狀凹凸不平的斷口，樣塊的內(nèi)壁表層可見明顯的白亮層，該樣塊編號為2#樣件（見圖2）。
2.化學(xué)分析
分別從1#、2#樣件的軸承圈上截取樣塊，尺寸為長25mm×寬25mm×厚15mm，進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測設(shè)備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀。檢查結(jié)果（見附表）表明，化學(xué)成分符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。
原材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的檢查結(jié)果 （%）
GCr15 | C | Si | Mn | Cr | S | P | Mo | Ni | Cu |
標(biāo)準(zhǔn)值 | 0.95～1.05 | 0.15～0.35 | 0.25～0.45 | 1.40～1.65 | ≤0.025 | ≤0.025 | ≤0.100 | ≤0.300 | ≤0.250 |
1#樣 | 0.992 | 0.261 | 0.366 | 1.522 | 0.012 | 0.009 | 0.021 | 0.030 | 0.028 |
2#樣 | 0.988 | 0.250 | 0.371 | 1.508 | 0.015 | 0.011 | 0.024 | 0.028 | 0.025 |
3.金相檢測
（1）1#樣件檢測 壓開的斷口處表面為平直的穿晶特征形貌，表層未見氧化脫碳現(xiàn)象，次表層為隱針狀馬氏體＋顆粒狀碳化物＋少量殘留奧氏體（見圖3）。心部組織同樣為隱針狀馬氏體、顆粒狀碳化物及少量殘留奧氏體，黑白區(qū)分布相當(dāng)明顯，這是軸承鋼較低溫度加熱淬火的特征組織，應(yīng)該屬于正常的軸承鋼淬回火組織（見圖4）。
斷面的局部區(qū)域為沿圓弧坑開裂的細(xì)晶狀斷口，斷續(xù)分布的圓弧坑屬于非金屬夾雜物的脫落坑。在顆粒狀夾雜物較多的部位，由于夾雜物與基體組織的結(jié)合力較弱，裂紋沿夾雜物邊緣擴展。次表層及心部組織仍然為隱針狀馬氏體＋顆粒狀碳化物＋少量殘留奧氏體，心部存在少量的帶狀碳化物（見圖5～圖 6）。
（2）2#樣件檢測 軸承圈內(nèi)壁表層處白亮層較為嚴(yán)重，白亮層為近似等軸狀分布的鐵素體組織，屬于高溫高氧化氣氛形成的全脫碳層，經(jīng)測量全脫碳層深度達(dá)0.15mm，該組織的強度非常低（見圖7）。白亮層以下色澤較深的為貧碳層，貧碳層深度為0.10mm，組織為隱針狀馬氏體及少量殘留奧氏體。由于貧碳層的碳勢較低，白色顆粒狀碳化物析出較少（見圖8）。
軸承圈內(nèi)壁左側(cè)為開裂起始部位，表面脫碳層較為明顯，裂紋的開口處將全脫碳層劈開，斷口的起始部位有晶粒脫落的脆性開裂現(xiàn)象（見圖9）。斷口擴展呈沿晶開裂的特征形貌，有些區(qū)域晶粒已經(jīng)大量脫落，斷口二次裂紋的沿晶開裂特征更為明顯（見圖10）。
斷口附近存在大量的晶間熔洞，這是低熔點非金屬夾雜物熔融的特征組織。同時伴有晶粒脫落的孔洞以及氧化物浸潤的沿晶二次裂紋。表明熱加工鍛造過程中，加熱溫度較高，晶界弱化，晶間結(jié)合力顯著降低，在鍛造應(yīng)力作用下局部已經(jīng)形成鍛造熱裂紋（見圖11）。試樣的心部同樣存在較明顯的晶間熔洞組織，顆粒狀碳化物分布也不太均勻（見圖12）。
4.結(jié)論與分析
夾雜元素硫以化合物的形態(tài)存在于鋼鐵材料的基體中，它首先與錳結(jié)合形成1600℃高熔點硫化錳，剩下的硫與鐵結(jié)合形成1200℃左右低熔點硫化鐵以及980℃共晶硫化鐵，硫化鐵以及共晶硫化鐵才是形成晶間溶洞的低熔點夾雜物。硫化物夾雜雖然沒有氧化鋁夾雜的危害性大，但較多量的硫化物也對基體組織造成損傷，降低材料強度，增加材料脆性，極易形成鍛造熱裂紋。帶狀碳化物的存在，同樣降低材料強度和韌性，嚴(yán)重的帶狀碳化物更加能夠割斷基體的連續(xù)性。
1#樣件的斷口較為平整，以穿晶斷裂特征為主，局部呈現(xiàn)沿顆粒狀夾雜物開裂的圓弧坑，這是低熔點硫化物夾雜分布不均勻造成的。2#樣件鍛造加熱溫度過高，晶界寬化，晶間弱化，甚至形成低熔點夾雜物熔融的晶間熔洞，材料強度顯著降低，在鍛造應(yīng)力作用下，局部區(qū)域產(chǎn)生沿晶開裂的微裂紋。也正是由于鍛造的高溫加熱，使裂紋內(nèi)充滿高溫氧化物。鍛件既存熱鍛開裂的沿晶微裂紋，以及內(nèi)壁表層較嚴(yán)重的脫碳層，進(jìn)一步降低材料的抗拉強度，使工件在壓斷過程中形成多臺階的應(yīng)力集中裂紋源，然后形成放射狀擴展的脆性斷裂特征。
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