CrMo合金材料：42CrMo4套筒失效分析
最近接触到一批长筒工件（见图1），在成品回厂验收时，发现4件产品内孔表面有裂纹，对其中最为典型的以一件进行剖切取样分析，如图2、图3所示。
1.理化检测及其结果
（1）化学成分
利用直读光谱仪检测H1试样的化学成分，结果如表1所示。
表1 H1试样光谱化学成分分析结果（质量分数） （%）
元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu |
标准EN10083-3 | 0.38～0.45 | ≤0.40 | 0.60～0.90 | ≤0.025 | ≤0.025 | 0.90～1.20 | 0.15～0.30 | — | — |
实测 | 0.40 | 0.22 | 0.74 | 0.010 | — | 1.14 | 0.225 | 0.13 | 0.03 |
（2）硬度
利用洛氏硬度计检测H1和B1试样壁厚方向的硬度值，其结果如表2所示。
表2 H1和B1试样壁厚方向硬度分布（HRC）
硬度 试样 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值 |
H1 | 29.0 | 25.8 | 26.3 | 27.7 | 28.0 | 27.4 |
B1 | 30.3 | 30.6 | 28.7 | 29.1 | 23.6 | 28.5 |
（3）显微组织
将H1试样分别沿N面和K面（见图4）进行磨抛（N面为内孔表面，K面为沿壁厚方向磨抛面），并利用显微镜依次观察。N面磨抛后裂纹形态，如图5所示。然后利用4%硝酸酒精溶液对磨抛面进行侵蚀，观察裂纹附近显微组织，如图6所示。K面磨抛后的裂纹形态及侵蚀后显微组织如图7所示。
将B1试样（见图8）分别沿N面和K面进行磨抛并侵蚀（N为内孔表面，K为沿壁厚方向磨抛面），并在显微镜下依次观察裂纹形态及其附近显微组织。
B1试样内孔表面汇聚了多条裂纹，在显微镜下，其形态如图9所示。然后利用4%硝酸酒精进行侵蚀，观察内孔表面裂纹附近显微组织，如图10所示。
B1试样壁厚方向磨抛后，其裂纹形态如图11所示。
将K面利用4%硝酸酒精溶液侵蚀后观察裂纹附近显微组织，如图12所示。
2.结果分析
从以上分析结果来看，该件所用原材料化学成分符合EN 10083-3中42CrMo4的要求，未发现有含量超标的元素。从截取的试块硬度检测结果来看，套筒沿厚度方向硬度没有明显的梯度变化，这说明淬火时工件已淬透，并且回火充分。
从套筒实际热处理过程来看，其实际热处理工艺曲线如图13所示，生产过程未发现异常。
从试样磨抛后观察到的裂纹形态来说，试样H1和试样B1内孔表面和壁厚方向上裂纹尖端均呈现比较尖锐的特点，其扩展路径上则呈现出穿晶的特征，是典型的淬火裂纹。从侵蚀后的显微组织来看，两个试样裂纹附近的显微组织均为回火索氏体，未发现大块状铁素体及长条状铁素体分布，裂缝两侧未发现明显的氧化脱碳层。这说明，裂纹是在热处理过程中形成的。
实际上，对于长筒成品件来说，壁厚分别为40mm（薄壁端）和52mm（厚壁端），总的来说，内孔比较长，内径较小且壁厚属于42CrMo4钢，可以完全淬透的范围，淬火时组织应力比较大。同时，对于内径较小的深孔零件，由于内表面比外表面冷却速度小得多，残余热应力的作用小，则受到的拉应力比外表面大，易在内表面形成纵向裂纹，甚至多条并列（见图14）。
3.结论及预防措施
（1）通过本体取样分析可知，该套筒裂纹属于典型的淬火裂纹，是由于淬火时工件内应力过大，特别是内孔表面拉应力过大，造成工件内孔表面开裂。
（2）为了避免该类裂纹的产生，可以采取降低淬火温度、增加淬火介质沿内孔穿流速度和效率、提高终冷温度等措施，以降低淬火应力，避免工件开裂。
作者：尚贺军、赵丽美、任秀凤、郑元孟、刘守峰、张永庆、秦英超、李智彬，山东伊莱特重工有限公司。
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