依据GB/T 3077—2015《合金结构钢》的要求，在对42CrMoA圆钢进行力学性能测试前，需要对其样坯进行调质处理。对某钢厂生产的直径为65mm的42CrMoA圆钢样坯进行调质处理后发现少量样坯表面出现开裂现象，需重新制样，延长了钢材的出厂时间。样坯的调质工艺为：(855±10)℃，50min，油冷 +(550±10)℃，60min，水冷。为了避免后续的样坯发生热处理开裂，研究人员对开裂样坯进行一系列理化检验，找出其开裂的原因，以避免该类问题再次发生。

1、理化检验

1.1宏观形貌

      调质后开裂样坯的宏观形貌如图1所示。由图1可知：样坯表面存在单条的纵向直线裂纹，裂纹沿试样轴向表面分布，总体贯穿试样，笔直无分叉；裂纹由样坯表面延伸至心部。

1.2化学成分分析

     对开裂样坯取样并对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：开裂样坯的化学成分满足GB/T 3077—2015对42CrMoA钢的要求。

1.3金相检验

      在样坯开裂处取金相试样，利用光学显微镜观察试样，结果如图2所示。由图2可知：裂纹由表面向心部延伸，裂纹的开口大、尾部小，且尾部出现分叉；裂纹尾部的裂缝中有少量氧化物，为中高温回火所致；将试样腐蚀后观察裂纹两侧，未见脱碳现象。依据裂纹的形貌特征和裂纹两侧的组织情况，可以确定该裂纹为淬火裂纹。

      在样坯横截面处取金相试样，用光学显微镜观察试样，结果如图3所示。由图3可知：样坯横截面组织为回火索氏体和未溶碳化物，组织分布不均匀，存在明亮区；明亮区局部分布有细小的非金属夹杂物，直径为3~7μm；裂纹扩展区组织不均匀，明亮区较多；另一侧近表面区组织均匀。

    依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》对夹杂物进行评定，结果如图4所示。由图4可知：未见大颗粒非金属夹杂物，非金属夹杂物级别较低，为A类细系1.0级、A类粗系1.0级、B类细系0.5级。

     在母材纵截面处取金相试样，试样的金相检验结果如图5所示。由图5可知：试样表面未见缺陷及异常大颗粒夹杂，近表面处组织相对均匀，组织为铁素体+珠光体；靠近心部的白色条带状组织明显，为铁素体+ 珠光体+贝氏体；贝氏体呈条带分布。说明开裂样坯裂纹源靠近母材心部。

1.4硬度测试

      利用洛氏硬度计在开裂样坯的截面沿着裂纹方向进行硬度测试，结果如表2所示。由表2可知：调质后样坯的平均硬度为37.2HRC，硬度分布均匀。根据《热处理工艺参数手册》中合金结构钢的淬火与回火工艺参数可知，42CrMoA钢经热处理后的硬度

应为38 HRC。根据GB/T 16924—2008《钢件的淬火与回火》可知，42CrMoA钢样坯洛氏硬度的偏差为±2HRC，因此42CrMoA钢样坯热处理后的洛氏硬度应为36~40HRC，开裂样坯的洛氏硬度满足要求。

     利用显微维氏硬度计对开裂样坯纵向组织进行显微硬度测试，结果如表3所示，不同测试位置的压痕形貌如图6所示。由表3和图6可知：带状区的硬度明显高于暗区。

1.5扫描电镜(SEM)及能谱分析

     采用扫描电镜及能谱仪对夹杂物进行分析，结果如图7所示。由图7可知：夹杂物主要含有 Mn、S、Cr等元素，为硫化物夹杂。

    采用能谱仪对图3c)明亮区进行线扫描，结果如图8所示。由图8可知：明亮区存在Cr元素偏析，偏析的宽 度约为0.01mm，与带状区的宽度相当，说明Cr元素偏析导致带状区的硬度升高。

2、综合分析

     淬火加热的经验计算公式为t=αKH，其中：t为保温时间；α为保温时间系数；K为装炉方式修正系数；H为工件有效厚度。采用马弗炉加热42CrMoA合金钢，α为 1.2~1.5，根据现场实际装炉方式，K为2，因此对于直径为25mm的样坯，淬火保温时间应为60~75min，而开裂样坯的实际淬火保温时间只有50min，保温时间偏短。Cr、Mo等元素在奥氏体中的扩散速率较慢，奥氏体均匀化需要的时间较长，保温时间较短会使合金元素的均匀化程度不足，从而无法消除原材料的Cr元素成分偏析。

      裂纹沿轴向分布，由工件表面向心部扩展，裂纹较深、较长，裂纹两侧无脱碳现象。因此该裂纹为典型的纵向淬火裂纹，裂纹源靠近样坯的心部。母材的组织存在显微偏析，靠近心部的组织不均匀。钢的原始状态对淬火开裂有很大影响，原始组织细小、均匀，淬火后得到的马氏体细小，残余应力小，基体强度高,开裂倾向小。母材靠近心部存在较多的贝氏体条带非平衡组织，更易诱发淬火裂纹。淬火时，在热应力和组织应力的共同作用下，当瞬时应力超过断裂强度时，材料就会开裂。42CrMoA钢在静油中的淬火临界直径为40mm，对于直径为25mm的柱状样坯，淬火时样坯能被完全淬透，内外均易得到马氏体，因此淬火时是以组织应力为主导。样坯靠近母材心部的组织应力比其他位置的应力大，在表面拉应力的作用下，母材心部先产生纵向裂纹。

     带状组织内存在Cr元素成分偏析和硫化物聚集。Cr元素为中强碳化物的形成元素，Cr元素含量较低时，其溶于渗碳体中形成合金渗碳体，Cr元素含量较高时，可能形成新的碳化物，因此Cr元素偏析区的硬度较高、脆性较大。Cr元素偏析区的马氏体转变温度降低，淬火冷却时，该区域的马氏体转变速率较慢，增大了组织应力，易形成裂纹。因此Cr元素成分偏析对淬火开裂的影响较大。硫化物与基体的结合能力较弱，且硫化物的膨胀系数比基体大，当钢中存在夹杂物偏析或夹杂物沿晶界分布时，淬火过程中夹杂物可能发生界面分离并形成裂纹。

3、结论及建议

     42CrMoA钢样坯经调质后形成的裂纹为典型淬火裂纹，开裂源位于靠近母材心部一侧的表面。原材料组织不均匀，存在Cr元素成分偏析，且淬火保温时间短，最终导致样坯发生淬火开裂。

     建议将淬火保温时间延长至60~75min，使样坯的奥氏体化更完全，有利于合金元素的均匀化。调质处理前，可对样坯进行高温均匀化退火，以消除其成分偏析和带状组织。