淬火變形與開裂是鋼材在熱處理過程中常見的失效形式。淬火過程中產(chǎn)生的應(yīng)力主要分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。工件在快速冷卻過程中，內(nèi)外部冷卻速率不同導(dǎo)致鋼材產(chǎn)生一定的溫度差，即心部溫度高、表面溫度低，內(nèi)外溫差即形成了熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的分布特點為，工件心部為拉應(yīng)力、表面為壓應(yīng)力。一般淬火過程都會發(fā)生奧氏體向馬氏體的組織轉(zhuǎn)變。馬氏體具有較高的強度和硬度，是金屬強化的重要途徑之一，馬氏體轉(zhuǎn)變是體積膨脹的過程，組織轉(zhuǎn)變伴隨著較大的組織應(yīng)力。組織應(yīng)力又可以分為軸向應(yīng)力、切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。
鍛造件中的合金鋼具有尺寸大、形狀不規(guī)則、冷卻過程不均勻等特點，因此在冷卻速率較快或工件尺寸較小時，鍛造件心部容易發(fā)生淬透，產(chǎn)生組織應(yīng)力，導(dǎo)致表面或者次表面承受拉應(yīng)力，進而使工件產(chǎn)生裂紋。在淬火過程中，多截面尺寸復(fù)雜工件（如轉(zhuǎn)向節(jié)）的小截面部分更容易發(fā)生淬透，應(yīng)力峰值更容易出現(xiàn)在工件表面。此外，切應(yīng)力要大于軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，故小截面部分易出現(xiàn)沿軸向擴展的淬火裂紋。
某鍛造上市企業(yè)主要生產(chǎn)各類汽車轉(zhuǎn)向節(jié)，其自行設(shè)計開發(fā)的42CrMo鋼鍛件在淬火后出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，工件的調(diào)質(zhì)工藝為：(830 ±±10) ℃，150 min，水冷；(540±10) ℃，180min，空冷。研究人員采用一系列理化檢驗方法對工件開裂的原因進行分析，以避免該類事故再次發(fā)生。
01理化檢驗
1.1 宏觀形貌
圖1為熱處理后開裂工件的宏觀形貌。由圖1可知：裂紋主要分布在工件的中部，并沿平行于工件的鍛造成形方向擴展，內(nèi)側(cè)的裂紋向心部擴展，擴展深度為19mm；邊緣裂紋從起始位置沿軸向貫穿整個工件。
1.2 化學(xué)成分分析
從工件開裂區(qū)域取樣，將試樣切割、打磨平整后，使用直讀光譜儀對試樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：該工件化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對42CrMo 鋼的要求。
1.3 微觀分析
在開裂工件裂紋的不同位置截取試樣，取樣位置如圖2所示。
按GB/T 3077—2015《金屬顯微組織檢驗方法》將試樣1~3制備為金相試樣，將試樣1~3置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：裂紋從工件表面向心部擴展，在裂紋尾部存在少量二次裂紋。可初步判斷開裂是殘余熱應(yīng)力和組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。
試樣1的顯微組織形貌如圖4所示。由圖4可知：試樣1裂紋上下的基體組織沒有明顯區(qū)別，均為回火索氏體。使用洛氏硬度計測試試樣1的硬度，載荷為150N，結(jié)果為32~34HRC。
試樣1裂紋與基體組織之間存在一定寬度的過渡區(qū)域，對該區(qū)域進行能譜分析，結(jié)果如表2所示。
由表2可知：該區(qū)域氧元素含量較高，質(zhì)量分數(shù)為17%，可推測開裂處基體邊緣區(qū)域為氧化層，應(yīng)為開裂后熱處理過程中氧化形成。
試樣1基體中存在顆粒狀夾雜物，對其進行背散射掃描，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：夾雜物中主要元素為Mn和S，可知該夾雜物應(yīng)為MnS。由于裂紋開裂的程度較大，可能造成夾雜物脫落。
利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡（SEM）對試樣2進行觀察，并用能譜儀對試樣2進行背散射掃描，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：試樣2裂紋附近的顯微組織也是回火索氏體，部分區(qū)域有少量貝氏體；表面試樣中條狀MnS主要沿鍛造方向排布，可以看到主裂紋方向與條狀MnS的分布方向一致，主裂紋附近有少量曲折的二次裂紋，裂紋中主要是后續(xù)熱處理形成的基體氧化物，二次裂紋主要沿原奧氏體晶界擴展。
利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣3的裂紋輪廓及夾雜物分布情況，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：試樣3的主裂紋附近有一條與主裂紋擴展方向一致的二次裂紋，由于開裂程度較小，內(nèi)部夾雜物沒有脫落；在二次裂紋的末端也發(fā)現(xiàn)大量條狀夾雜物，其方向與裂紋擴展方向一致，判斷該條狀MnS夾雜物是影響開裂的主要因素。
對試樣3裂紋中部和末端分別進行背散射掃描，結(jié)果如圖8，9所示。由圖8，9可知：裂紋中部含有大量沿裂紋擴展方向的長條狀MnS夾雜物，在主裂紋周邊分布有大量相同方向的條狀MnS夾雜物；裂紋沿MnS方向平直擴展，在末端無夾雜物區(qū)域主要沿原奧氏體晶粒曲折擴展；在長裂紋中發(fā)現(xiàn)大量條狀的MnS夾雜物，且夾雜物開裂后可誘導(dǎo)基體沿晶界繼續(xù)擴展開裂，后與下一條狀MnS夾雜物形成的裂紋相連，最終形成貫穿整個支臂的長裂紋。
MnS夾雜物為塑性夾雜物，MnS夾雜物內(nèi)部由于平面滑移產(chǎn)生長而窄的滑移帶，這些滑移帶上的位錯被阻塞在夾雜物和基體的界面處，造成基體與界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中。
02綜合分析
轉(zhuǎn)向節(jié)支臂淬火裂紋方向與鍛造時材料塑性變形方向一致，轉(zhuǎn)向節(jié)材料裂紋處的組織為回火索氏體，硬度和組織無顯著異常。淬火裂紋中發(fā)現(xiàn)有大量夾雜物，其中MnS夾雜物在鍛造過程中沿著材料塑性變形方向排列。
03結(jié)論及建議
材料在淬火過程中受到較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，基體中有較多的夾雜物，其中MnS夾雜物在鍛造的過程中沿著材料塑性變形方向排列；MnS較脆，與基體的變形程度不一致，導(dǎo)致工件產(chǎn)生應(yīng)力集中并萌生裂紋；在組織應(yīng)力的作用下，基體沿原奧氏體晶界開裂，最終相鄰夾雜物引起的裂紋相互連接，形成貫穿材料的長裂紋。
由于轉(zhuǎn)向節(jié)形狀復(fù)雜，需精確控制材料在淬火時的冷卻速率，建議采用合適的淬火介質(zhì)來降低局部由于組織相變引起的應(yīng)力集中程度。嚴格控制42CrMo鋼原材料的硫元素含量，如之前要求硫元素質(zhì)量分數(shù)不大于0.030%，可進一步嚴格要求至0.015%，以控制原材料中MnS的含量。
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