案例分享：GCr15鋼制零件裂紋分析
某公司新進一批GCr15鋼制零件，進廠檢驗時發現裂紋。隨后對本批零件進行磁粉探傷，發現該批零件全部出現如圖1所示裂紋。
圖1 零件磁粉探傷裂紋照片
1.研究內容及方法
（1）化學成分分析 對零件表面和內部使用OBLF直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示。
表1 鋼制零件化學成分（質量分數） （%）
元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr |
GB/T18254要求 | 0.95～1.05 | 0.15～0.35 | 0.25～0.45 | ≤0.025 | ≤0.025 | 1.40～1.65 |
內部檢測結果 | 0.991 | 0.211 | 0.305 | 0.012 | 0.005 | 1.465 |
表面檢測結果 | 0.785 | 0.207 | 0.302 | 0.011 | 0.005 | 1.429 |
從零件內部的化學成分可以看出，零件化學成分符合GB/T18254中GCr15要求，從表面與內部的化學成分數據對比可以看出，零件表面存在脫碳現象。
（2）金相組織觀察 對零件進行非金屬夾雜物檢驗，檢驗結果見表2，所含非金屬夾雜物均符合GB/T18254要求。
表2 非金屬夾雜物檢驗結果
非金屬夾雜物類型 | GB/T18254要求 | 檢測結果 | ||
細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | |
A | ≤2.5 | ≤1.5 | 0 | 0 |
B | ≤2.0 | ≤1.0 | 0.5 | 0 |
C | ≤0.5 | ≤0.5 | 0 | 0 |
D | ≤1.0 | ≤1.0 | 0 | 0 |
對零件表面進行金相制樣（未腐蝕），使用LEICA DM4000M顯微鏡觀察零件表面，發現圖2所示，裂紋呈現網狀。
圖2 零件表面形貌（100×）
圖3 零件橫截面金相（100×）
圖4 零件橫截面金相（500×）
為了更清楚地顯示裂紋形貌，對零件切割進行了橫截面顯微觀察，金相制樣未腐蝕后觀察發現了許多由表面向內擴展延伸的裂紋，結果如圖3、圖4所示。圖3是一條從表面向內延伸的裂紋，裂紋長度約為200μm。裂紋附近未見非金屬夾雜物，圖4顯示裂紋呈現出曲折、間斷的相似形貌，而且裂紋體的有些部位出現了分叉現象。說明淬火時較大的內應力(包括組織應力和熱應力)使得材料表面多處發生了開裂。
圖5 裂紋處金相組織（500×）
圖6 內部金相組織（500×）
對橫截面金相樣品腐蝕后觀察如圖5、圖6所示，零件為正常部位與裂紋處組織均為正常的GCr15淬回火組織：回火隱針馬氏體+碳化物+殘留奧氏體，未見過熱及過燒的粗大晶粒級粗大的網狀碳化物。裂紋兩側未見明顯脫碳，說明裂紋形成與淬火加熱后。
2.表面網狀裂紋產生的原因分析
零件均為GCr15高碳合金鋼制造的壁薄壁零件,熱油淬火時極易淬透。因馬氏體與奧氏體如表3所示其比容存在差異以及奧氏體、馬氏體與碳化物熱膨脹系數的巨大差異，零件淬火時會產生很大的組織應力和熱應力。
表3 鋼中各種相的比容
相組成 | wC（%） | 比容/(cm3/g) |
奧氏體 | 0～2 | 0.1212+0.033（%C) |
馬氏體 | 0～2 | 0.1271+0.0025（%C) |
零件在淬火過程中表層先冷，中心后冷，存在表心溫差，在冷卻初期表層下降比心部快，表層較大收縮收心部的牽制，表層產生拉應力。由于心部的馬氏體相變落后于表面,且馬氏體比容大于奧氏體，因此零件表面的存在組織壓應力,但是由于表面存在脫碳，淬火過程中降低了心部奧氏體與表面馬氏體的比容差，降低了表面本來應該有的壓應力。表面脫碳層造成淬火后內層馬氏體含碳量高于表面馬氏體含碳量，由表3可以得出內部的馬氏體的比容大于表面馬氏體比容，這樣表面形成的馬氏體與內部的馬氏體體積差大，使表面造成很大的拉應力，當上述總應力超過零件本身強度即導致零件開裂，形成表層的張開型淬火裂紋。
3.結語
（1）該批GCr15鋼制零件出現表面網狀裂紋，應當報廢處理。
（2）零件裂紋形成與淬火后，由淬火后應力造成。
（3）GCr15鋼制零件熱處理過程中，應當防止表面脫碳。
作者：劉愛龍
單位：山東常林機械集團股份有限公司節能液壓元件及系統國家重點實驗室
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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