40MnBH鋼是一種高淬透性的低合金結構鋼，將微量硼元素加入鋼中可以顯著提高鋼的淬透性，該鋼經調質處理后具有良好的綜合力學性能，被廣泛應用于對強度、韌性要求較高的軸類零件中。
某廠生產的軸頭加工流程為：下料→感應加熱→模鍛→沖孔→調質處理→機械加工，對該鋼進行加工過程中，發現某批次軸頭內孔存在批量開裂現象。
研究人員采用一系列理化檢驗方法分析了軸頭開裂的原因，以避免該類問題再次發生。
1、理化檢驗
1.1 宏觀觀察
軸頭宏觀形貌如圖1所示，為了便于觀察，將軸頭鋸為上半段大頭端和下半段小頭端，下半段小頭端內孔表面存在明顯的環向折疊缺陷(圖1中箭頭所指)。
軸頭結構如圖2所示，由圖2可知：軸頭內孔表面自上而下共存在4處應力集中區，分別編號為1#~4#，其中1#~3#區域位于上半段，且均為大圓弧過渡區，應力集中程度較弱；4#區域則位于下半段，即圖1中環向折疊缺陷處，該處應力集中程度較明顯。
將軸頭下半段裂紋部分切開，宏觀形貌如圖3所示，軸向裂紋和環向裂紋整體呈T形分布(見圖4)，且兩處裂紋均呈應力開裂特征。環向裂紋處為首先開裂部位，軸向裂紋為次生裂紋。
1.2 磁粉檢測
圖5為軸頭內孔磁粉檢測結果，上半段裂紋軸向長度約為30mm，下半段則一直延伸至環向折疊處。由圖5可知：除軸向裂紋外，約1/3圈折疊根部存在環向磁痕。
1.3 金相檢驗
沿圖3中虛線切割取樣，將試樣置于光學顯微鏡下觀察，結果如圖6所示。由圖6可知：環向裂紋由兩部分組成,其中折疊部分(4#位置)腔內填充有氧化物，兩側有高溫氧化特征，組織為鐵素體，為典型的鍛造折疊，另一部分則以折疊根部為源發生徑向擴展，兩側組織為回火索氏體，未見氧化、脫碳等熱處理缺陷，整體表現為淬火開裂。
1.4 掃描電鏡(SEM)分析
將開裂處試樣置于掃描電鏡下觀察，結果如圖7所示，由圖7可知：折疊部分表面被厚厚的氧化皮覆蓋，局部氧化皮剝落處呈圓滑形態。環向裂紋面雖被較薄的氧化皮覆蓋，但沿晶開裂形貌清晰可見，為典型的淬火裂紋特征，打開裂紋面，組織呈韌窩形貌。
2、綜合分析
2.1 裂紋性質
環向裂紋和軸向裂紋均為淬火裂紋，環向裂紋和軸向裂紋皆沿晶界擴展，尾部尖細且兩側無高溫氧化和脫碳現象，符合淬火裂紋特征；反之，折疊處拋光態表面可見高溫氧化質點，腐蝕后表面存在明顯脫碳，且組織流線與變形方向一致。
2.2 折疊產生原因
折疊是一種表面缺陷，鋼坯上存在表面疤痕、凹凸不平、尖銳棱角等缺陷，在軋制過程中，這些缺陷存在于鋼材表面，或由于鍛扎操作不當，將上一道工序生成的尖角、耳子又壓入金屬本體，與鋼材疊合在一起，最后形成折疊。通過對現場調研，可判斷折疊形成于沖孔階段，其主要與沖孔模具頭部邊緣磨損嚴重、表面粗糙以及終鍛溫度接近下限有關。
2.3 淬火裂紋產生原因
在熱處理鋼件時，特別是淬火過程中，截面各部分加熱和冷卻速率不一致使鋼件存在溫差，加上組織轉變的不同時性等原因，使得鋼件截面各部分的體積脹縮不均勻，組織轉變的不均勻以及彈性變形的不一致，導致熱處理應力的產生。熱處理應力主要分為加熱或冷卻不均勻造成的熱應力和組織轉變的不同時性造成的組織應力兩種，其在鋼件內存在的狀態和起的作用有所不同。此外，偏析等因素造成鋼件內部組織轉變的不均勻引起的附加應力也屬于組織應力。熱處理后鋼件的最終應力狀態及大小取決于這兩種應力之和，稱為合應力或殘余應力。當淬火冷卻過程中產生的殘余應力大于材料的強度時，就會發生開裂現象。淬火裂紋分布沒有規律，一般在零件的棱角槽口、截面突變處、孔洞邊緣和機械加工的刀痕上容易形成淬火裂紋，折疊處應力集中嚴重，為淬火開裂提供了條件。
綜上，由于沖模頭部邊緣磨損嚴重、表面粗糙以及終鍛溫度偏低，因此在沖孔過程中，內孔表面形成環向折疊缺陷。折疊為裂紋類缺陷，頭部應力集中程度嚴重，淬火過程中，折疊頭部為裂紋源，引起淬火開裂，同時在組織應力的作用下產生軸向裂紋，二者交匯便形成T形開裂形貌。
3、結論及建議
40MnBH鋼軸頭內孔表面折疊是導致淬火開裂的根本原因。折疊的產生主要與沖模頭部邊緣磨損嚴重及終鍛溫度偏低有關。
建議嚴格控制終鍛溫度及沖孔時的溫度，定期檢查沖孔模具的磨損情況，對有內孔的軸類零件進行淬火冷卻時，應控制好其冷卻速率。
作者：高彬科，張弛，吳飛虎，梁會雷，李平平
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來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第6期
