某公司生產的鉸鏈梁,在制造過程中出現了開裂現象。鉸鏈梁材質為ZG35CrMo鋼。該合金鋼具有淬透性好,綜合力學性能高,回火脆性不明顯且價格低廉等特點。在齒輪、轉軸等重大零件中得到了廣泛應用。ZG35CrMo鉸鏈梁主要生產工藝流程為:砂型鑄造一粗加工一調質處理一精加工。在精加T的時候發現開裂。開裂件宏觀形貌見圖1,開裂部位在其內孔孔壁邊緣,裂紋擴展方向為徑向。本文旨在通過化學成分分析、力學性能分析、金相分析、掃描電鏡及能譜分析等來確定引起該鉸鏈梁開裂原因。
1理化檢驗
1.1化學成分
采用美國LeemanProdigyXP全譜直讀ICP發射光譜儀對零件材質進行化學成分分析,結果如表1所示。表中也列舉了ZG35CrMo鋼作為鉸鏈梁對化學成分的技術要求。
從鋼材化學成分的技術要求來看,材質中Si元素偏高,Mo元素偏低,不符合要求。
1.2力學性能
在鉸鏈梁缸體的孔內壁及壁厚約1/4處分別取樣,進行拉伸及沖擊試驗,測試結果見表2。從表可以發現,無論是邊緣還是心部,材料韌性均較低,不滿足實際應用的要求。
1.3金相組織分析
為了具體分析引起材料性能變差的內部機理,分別對孔內壁裂紋附近及裂紋尖端附近取樣,進行金相組織觀察(圖2),組織為珠光體+塊狀鐵素體+魏氏鐵素體,組織粗大。
孔內壁處及壁厚約1/4處金相組織形態見圖3。組織為珠光體+塊狀鐵素體+魏氏鐵素體+粒狀組織,組織粗大。對夾雜物進行觀察發現,試樣中夾雜物數量較多,且部分夾雜物集中分布,見圖4。
1.4裂紋及斷口分析
1.4.1裂紋形態分析
從裂紋的宏觀形態圖l(b)可以看出,裂紋在內孔內壁處張開較大,而越向壁厚深處發展,裂紋越細,可以初步確定裂紋起始于孔內壁。分別在裂紋起始區及裂紋尖端區截取金相試樣,其拋光態特征見圖5??梢钥闯觯鸭y的擴展路線上有較多夾雜物或顯微縮孔。X-射線能譜分析結果表明,夾雜物主要為Al、Ca、Mg、Si等的氧化物及MnS夾雜,見圖6。
1.4.2原始斷口分析
為了觀察裂紋的斷裂特征,需將裂紋打開,以露出其斷面。裂紋源區外觀及掰開后斷口宏觀形貌見圖7,很明顯,裂紋起源于孔內壁表層,裂紋源區即為圖7(b)中深色的半圓形區域。
掃描電鏡觀察的裂紋源區低倍形貌見圖8,斷面上密集分布著許多縮松類鑄造缺陷。對源區夾雜物進行了能譜分析(圖9),主要為氧化物及硫化物夾雜。裂紋擴展區斷口微觀形貌見圖10,主要為解理特征,解理面一般較大,說明材料組織較為粗大。
1.4.3沖擊斷口分析
從材料力學性能測試發現,材料韌性偏低,因此對沖擊斷口進行分析,以找出韌性偏低的原因??變缺诟浇鼌^域沖擊斷口低倍及高倍形貌見圖11;壁厚1/4處沖擊斷口低倍及高倍形貌見圖12。兩個斷口形貌相似,均主要為脆性特征,微觀形貌呈解理特征,解理面較大,反映出粗大的晶粒及魏氏組織特征。
2討論與分析
ZG35CrMo鋼是Cr-Mo系中碳調質鋼,其最終的熱處理狀態為調質態,這樣才能保證材料具有較好的綜合性能。正常情況下,調質后材料的金相組織應為回火索氏體。但是該鉸鏈梁,無論是鑄件表面部分(裂紋源所在區域),還是鑄件的內部,其金相組織均為珠光體+塊狀鐵素體+魏氏體,且組織粗大,說明該區組織未達到調質處理的要求。從其組織特征看,若經過調質處理,則處理時的淬火溫度未達到奧氏體區,仍處于兩相區,或者根本就未經過調質處理。組織的粗大和魏氏組織的存在,使材料的綜合性能尤其是韌性大大降低,而脆性明顯增加。裂紋斷口及沖擊斷口均表現出明顯的脆性特征。另外,各區力學性能波動較大,說明鑄件各區不均勻。為了消除鑄造應力,并使組織更均勻,晶粒細化,為后期處理提供合適的組織,一般鑄件在鑄造后、調質處理前要進行1道退火或正火處理。
鑄件存在大量的氧化物和硫化物夾雜也是引發裂紋的主要原因,這些缺陷的存在造成了基體的不連續,在應力作用下,這些缺陷區往往會優先形成微裂紋。
3結論
通過以上討論分析可以發現,該鉸鏈梁缸體斷裂的主要原因是鑄件中有大量夾雜物和非調質組織,以及在鑄造過程中形成的縮松等鑄造缺陷。在應力作用下,造成裂紋的產生與擴展。