45钢是一种优质碳素钢，经调质处理后该钢具有较高的强度，是机械制造行业常用的材料。某公司将厚度为60 mm 的45 钢热轧钢板加工成内径为900mm、外径为1 040 mm 的钢环。在840℃下对该零件保温2h，水淬后钢环沿直径方向断裂为两段，零件小段中心位置沿环向均匀断裂为两部分。研究人员采用一系列理化检验方法分析了钢环断裂的原因，以防止该类问题再次发生。

1、理化检验

1.1宏观形貌

     钢环沿轴向断裂为两部分，其中一小段部分沿环向中心又断裂为两层环形断口，小段部分外圆弧长为485mm，约占外圆总周长的1/6，钢环和断口的宏观形貌如图1所示。由图1可知：整体断面呈现金属光泽，心部断面粗糙；断面存在从心部向四周发散的放射状条纹，说明裂纹起源于零件心部。距离钢环外表面约5mm厚的区域呈现细瓷状，该区域为终断区。

1.2化学成分分析

     在断裂的钢环上截取试样，采用电感耦合等离子体发射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：钢环原材料的化学成分符合GB/T 711—2017《优质碳素结构钢热轧钢板和钢带》对45钢的要求。

1.3扫描电镜 (SEM)与能谱分析

      采用扫描电子显微镜对钢环轴向和环向断面进行观察，结果如图2所示。由图2可知：轴向断口心部裂纹源区断面上可见明显的河流花样，其为解理断裂典型形貌[ 见图2a）]；断口外表面5mm厚的细瓷区呈沿晶断裂形貌[见图2b）]；环向断口存在大量非金属夹杂物[ 见图2c）]。采用能谱仪对夹杂物进行能谱分析，结果如图3所示。由图3可知，非金属夹杂物成分主要为S元素和Mn元素，说明该夹杂物为硫化锰。

1.4金相检验

     在断裂的钢环上截取试样，将试样打磨、抛光后，采用5%（体积分数）的硝酸水溶液腐蚀试样，将试样置于光学显微镜上观察，结果如图4所示。由图4可知：腐蚀后试样的显微组织呈现明显差别，外表面为马氏体，心部为铁素体+ 珠光体，可知外表面有深度约为5mm的淬透层，这与断口宏观形貌一致；钢环纵向截面存在A类夹杂物（硫化物）。根据 GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》进行非金属夹杂物评级，A类夹杂物评级为2级（见表2），该结果与断口上发现的大量硫化锰夹杂一致。

1.5洛氏硬度测试

     采用洛氏硬度计对淬火后钢环外表面和心部进行洛氏硬度测试，结果如表3所示。由表3可知：钢环外表面硬度平均值为56HRC，符合该热处理工艺

后的硬度水平，心部硬度平均值为30HRC，可知零件表层硬度明显大于心部硬度，说明钢环存在心部未淬透现象，与显微组织一致。

2、综合分析

     由上述理化检验结果可知：断裂钢环的化学成分符合GB/T 711—2017 要求。裂纹从心部起始，向四周发散扩展，源区断面呈典型的解理断裂特征，外部断面呈沿晶断裂特征，钢环的断裂性质属于淬火断裂。

     淬火过程会引起钢环应力分布急剧变化，经过加热、保温和冷却3个过程，钢环会发生热胀冷缩体积变化和金属相变，由热胀冷缩引起的内应力为热应力，由金属相变产生的内应力为组织应力。由于材料表面及中心温度的变化不同步，因此当材料表面及中心出现热处理残余拉应力，且其超过材料的抗拉强度时，材料将会断裂，形成淬火裂纹。

     钢环在淬火过程中，其表面和心部的冷却速率不同，在冷却初期，表面冷却速率快，材料发生马氏体转变，在淬透区形成马氏体。钢环心部温度较高，冷却速率较慢，心部发生珠光体转变，形成铁素体+ 珠光体。45钢的淬透性差，钢环存在明显的淬透层与未淬透层的分界线，淬透深度只有5mm，组织为硬度较高的马氏体，心部为硬度偏低的铁素体+ 珠光体，组织的差异为钢环提供了组织应力，导致热处理时淬火断裂倾向增大。钢环的尺寸较大，使用传统840℃水淬的热处理工艺必然使钢环产生巨大热应力，淬火冷却后期，待钢环心部冷却、体积收缩，此时热应力大于组织应力，钢环表面受压应力、心部受拉应力，且心部沿着零件环向分布大量的MnS夹杂物，在夹杂物与基体交界处产生应力集中，严重割裂基体的连续性，为微裂纹的萌生提供了条件，对心部断裂起到促进作用。当心部拉应力超过其断裂强度时，零件便会从心部开始断裂，甚至出现环向断裂观象。

3、结论

    （1）该钢环断裂性质为热处理过程中形成的淬火断裂。

    （2）较高的加热温度和水冷形成的淬火应力是钢环断裂的主要原因。

    （3）零件原材料存在沿环向分布的MnS夹杂物，严重割裂了基体的连续性，对心部断裂起到促进作用。

作者：宋全，李晗，淡婷，张国庆，徐宋娟，颜明礼

单位：首都航天机械有限公司

来源：《理化检验-物理分册》2024年第6期