本文主要分析大型机床传动机构用齿条锻件，材质为40Cr中碳调质钢。经热加工锻造及调质处理，在压床校直过程中发生断裂。对该失效件进行理化检测分析，结果表明试样组织中非金属夹杂物异常严重，组织发生脆化。而且热加工锻造的原始粗大组织未得到细化，材料的抗破断强度显著降低。锻造应力及调质淬火应力，使锻件的大部分截面开裂，压床校直时沿原始裂纹继续扩展至整体断裂。
1.状态说明
（1）盐城国金机械制造厂加工的齿条方子锻件，在本公司进行调质处理，调质处理后，在压床校直时发生断裂，整个截面与纵向垂直，断口较平直，基本上保持脆性特征。失效断裂发生在两年前，断口的切片已经被人为切割去三处，分别为两处矩形孔洞和一处圆形孔洞。当时未详细对失效件样块进行检测，且对样块保存不善，试样表面已经有轻微锈蚀。
（2）该齿条方子锻件，为40Cr圆钢件锻轧成截面为100mm×90mm的矩形条钢 ，然后送交本公司进行调质热处理。经查阅热处理生产过程记录，调质处理工艺是，箱式多用炉低温入炉，然后缓慢进行加热，加热至840℃温度保温3h，然后出高温炉膛入前室预冷淬火，淬火介质采用的是等温淬火油，淬火后在200℃左右带温出油，利用出油余热产生自回火，以便消除淬火应力。然后入回火炉进行回火，回火温度为620℃保温4h，回火后同样在油中冷却。
（3）对残留的样块进行宏观检查，断口较平直，整个断面几乎都显示为放射状条纹，并且由中心向外表面扩散，在断口的边缘只有极少量的剪切唇，这种开裂形式属于典型的脆性断裂的形貌特征。断口目测分为两种颜色，颜色呈棕黄色的区域氧化色泽较严重，粗步推断为锻造及淬火开裂区。颜色呈青灰色的区域显示为淬火后的回火色泽，粗步推断为校直断裂区。淬火开裂区域为长轴95mm＋短轴70mm的近似椭圆形断口，断口面积较大，约占整个截面的80﹪；校直断裂区断口面积较小，约占整个截面的20﹪（见图1）。
2.化学成分
（1）在生产加工记录表中，追溯到该批产品的质保书，查到原材料批号、材料牌号、圆钢直径。从库存中剩余的原材料上截取样块，以供化学成分检测。
（2）截取原材料样块尺寸为25mm×25mm×15mm（长×宽×厚），进行化学成分检测（见表1），检测设备为Labspark5000精密直读火花光谱仪，检查结果表明化学成分符合材料标准要求。
表1 化学成分的检查结果（质量分数）（%）
40Cr | C | Si | Mn | Cr | S | P |
标准值 | 0.37 ～0.45 | 0.17 ～0.37 | 0.50 ～0.80 | 0.80 ～1.10 | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
实测值 | 0.402 | 0.211 | 0.675 | 1.030 | 0.024 | 0.014 |
3.金相分析
（1）试样未浸蚀观察，断口表面凹凸不平，有一部分沿粗大组织晶粒开裂特征的晶粒剥落坑，还有一部分沿非金属夹杂物开裂的剥离层。在晶粒剥落坑和非金属夹杂物剥离层之间，同时掺杂一些韧性开裂的撕裂棱（见图2）。断口的次表层有较严重的大块状非金属夹杂物，在非金属夹杂物的脱落坑底部，明显分布几条应力集中形成的细长二次裂纹。断口的次表层同时布满与主裂纹平行的二次裂纹，这种二次裂纹是由于晶粒粗大晶界弱化，晶间结合力显著降低，无法承受纵向拉应力造成的（见图3）。
（2）试样的非金属夹杂物量多且大，以B类颗粒不变形氧化铝及C类呈锐角不规则多边形硅酸盐居多。其中B类的非金属夹杂物，最大尺寸面积为0.60mm×0.10mm。40Cr材料的B类非金属夹杂物合格级别在2级以下，B类2级尺寸面积为0.343mm×0.015mm，该类脆性非金属夹杂物的面积超过合格级别12倍左右（见图4、5）。
（3）在原始档案袋内有一只样块，保留了原始尺寸。将原始矩形样块与断面方孔进行比对，刚好与断口中心矩形孔洞完全吻合，该矩形样件就是断口中心部位线切割样块。金相组织检查，在试样上对应于断裂中心源区部位，有一颗特大的深灰色块状非金属夹杂物，裂纹就从夹杂物的边缘启裂，夹杂物四周还有多条次生裂纹。从非金属夹杂物的形态和特征，初步推断为C类硅酸盐夹杂物。该非金属夹杂物颗粒异常粗大，尺寸面积达0.60mm×0.80mm。标准要求C类非金属夹杂物的合格级别2级以下，C类2级的尺寸面积为0.320mm×0.012mm，该硅酸盐夹杂物的尺寸面积，已经超出合格级别达125倍（见图6、7）。在裂纹源旁边，仍然发现成串排列的硅酸盐夹杂物，非金属夹杂物数量与尺寸都超过标准范围要求，附近还有较多量的B类脆性夹杂物（见图8）。在断口中心部位又发现另一个裂纹源，裂纹源的底部仍然可见硅酸盐夹杂物，以及粗大的非金属夹杂物脱落坑（见图9）。
（4）金相组织观察，断续分布的铁素体所围成的网状组织极其粗大，平均晶粒直径达到0.375mm，对应的晶粒度级别达0级，属于严重的过热组织级别，正常组织晶粒度为5～8级，过热组织晶粒度为≤3级。如此粗大的过热组织，只有在1200℃以上的锻造温度才会形成（见图10、11）。这种粗大的稳定化过热组织，使材料组织的晶粒急剧长大，晶界宽化，晶间弱化。特别指出的是，在1200℃以上的锻造温度下，硫化铁、硫化锰及硅酸盐等非金属夹杂物溶解到基体中，锻后空冷的缓慢冷却过程中，这些非金属夹杂物将沿晶界析出，在晶界上形成强度很低的脆性层。随后的调质处理温度是无法使它重新溶解的，调质处理后仍然保存粗大的原始晶粒，这就是稳定化过热组织的遗传性。后序的调质处理只能将锻造过热的粗大连续网状改变为断续网状，但是材料组织的脆性并不能得到改善。
（5）显微镜倍率经放大金相观察，沿粗大晶界分布的游离铁素体呈大块状，组织偏析严重，铁素体基体内及组织间分布较多量的非金属夹杂物，图中明显可见金相组织分为白色区和黑色区。白色区域以游离铁素体组织为主，条块状非金属夹杂物镶嵌在铁素体基体内。黑色区域以珠光体及索氏体组织为主，铁素体呈细条状少量分布（见图12、13）。由于前期锻造过热的粗大组织，带来化学成分及组织不均匀, 沿粗大网状分布的游离铁素体含量很多，正常调质处理无法将铁素体完全溶解，因而在调质处理后，组织中仍然保留明显的白色区域和黑色区域，使组织间应力分布不均匀，给后期热处理带来极大影响。
4.结论分析
（1）试样中存在超标的非金属夹杂物，使材料脆性显著增加。试样的宏观断口及微观组织检查，证实断裂源是由非金属夹杂物引起的，并从试样心部向外表面扩展。
（2）原始锻造的粗大晶粒，造成了具有遗传性的稳定化过热组织。在这种组织的温度下，硫化铁、硫化锰及硅酸盐等非金属夹杂物，溶解到高温的奥氏体中，锻造后空冷时沿晶界析出，使组织间脆性显著增大。工件热加工锻造以后，未按正常工序进行正火处理，原始的粗大晶粒及组织偏析未能得到改善，材料的抗拉强度和冲击韧性进一步降低。
（3）由于原材料存在严重的非金属夹杂物，以及锻造热加工的晶粒粗大晶间脆化，此时的锻造应力及调质处理的淬火应力，已经远远大于材料组织的晶间结合力。试样材料心部的大块状硅酸盐夹杂物，则是组织中最薄弱的部位，理所当然成为锻造应力及淬火应力开裂的裂纹源。锻造及调质淬火形成的裂纹，已经扩展至大部分截面，校直应力沿原始裂纹周边形成多源台阶，继续扩展至工件整体断裂。
5.改进措施
（1）对于入库的原材料，必须进行理化检测，包括化学成分、显微组织、力学性能等检测指标，应符合图样要求或国家标准，以保证原材料的质量。
（2）材料中带状组织较多的原材料，特别是非金属夹杂物形成带状组织，必须按规定要求进行正火或退火处理，使带状组织得到改善及消除，为后序热处理提供保障。
（3）锻造热加工过程，必须控制始锻温度和终锻温度，始锻温度不能超过1200℃，以避免因加热温度过高晶粒粗大，增加材料的脆性及淬火开裂倾向。终锻温度不能低于850℃的奥氏体化温度，使组织不能回复与再结晶，增加纤维组织和带状组织的形成几率。
文：金林奎，质量工程师，材料热处理工程师
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