案例分享：GCr15钢制零件裂纹分析
某公司新进一批GCr15钢制零件，进厂检验时发现裂纹。随后对本批零件进行磁粉探伤，发现该批零件全部出现如图1所示裂纹。
图1 零件磁粉探伤裂纹照片
1.研究内容及方法
（1）化学成分分析 对零件表面和内部使用OBLF直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示。
表1 钢制零件化学成分（质量分数） （%）
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 |
内部检测结果 | 0.991 | 0.211 | 0.305 | 0.012 | 0.005 | 1.465 |
表面检测结果 | 0.785 | 0.207 | 0.302 | 0.011 | 0.005 | 1.429 |
从零件内部的化学成分可以看出，零件化学成分符合GB/T18254中GCr15要求，从表面与内部的化学成分数据对比可以看出，零件表面存在脱碳现象。
（2）金相组织观察 对零件进行非金属夹杂物检验，检验结果见表2，所含非金属夹杂物均符合GB/T18254要求。
表2 非金属夹杂物检验结果
非金属夹杂物类型 | GB/T18254要求 | 检测结果 | ||
细系 | 粗系 | 细系 | 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 |
对零件表面进行金相制样（未腐蚀），使用LEICA DM4000M显微镜观察零件表面，发现图2所示，裂纹呈现网状。
图2 零件表面形貌（100×）
图3 零件横截面金相（100×）
图4 零件横截面金相（500×）
为了更清楚地显示裂纹形貌，对零件切割进行了横截面显微观察，金相制样未腐蚀后观察发现了许多由表面向内扩展延伸的裂纹，结果如图3、图4所示。图3是一条从表面向内延伸的裂纹，裂纹长度约为200μm。裂纹附近未见非金属夹杂物，图4显示裂纹呈现出曲折、间断的相似形貌，而且裂纹体的有些部位出现了分叉现象。说明淬火时较大的内应力(包括组织应力和热应力)使得材料表面多处发生了开裂。
图5 裂纹处金相组织（500×）
图6 内部金相组织（500×）
对横截面金相样品腐蚀后观察如图5、图6所示，零件为正常部位与裂纹处组织均为正常的GCr15淬回火组织：回火隐针马氏体+碳化物+残留奥氏体，未见过热及过烧的粗大晶粒级粗大的网状碳化物。裂纹两侧未见明显脱碳，说明裂纹形成与淬火加热后。
2.表面网状裂纹产生的原因分析
零件均为GCr15高碳合金钢制造的壁薄壁零件,热油淬火时极易淬透。因马氏体与奥氏体如表3所示其比容存在差异以及奥氏体、马氏体与碳化物热膨胀系数的巨大差异，零件淬火时会产生很大的组织应力和热应力。
表3 钢中各种相的比容
相组成 | wC（%） | 比容/(cm3/g) |
奥氏体 | 0～2 | 0.1212+0.033（%C) |
马氏体 | 0～2 | 0.1271+0.0025（%C) |
零件在淬火过程中表层先冷，中心后冷，存在表心温差，在冷却初期表层下降比心部快，表层较大收缩收心部的牵制，表层产生拉应力。由于心部的马氏体相变落后于表面,且马氏体比容大于奥氏体，因此零件表面的存在组织压应力,但是由于表面存在脱碳，淬火过程中降低了心部奥氏体与表面马氏体的比容差，降低了表面本来应该有的压应力。表面脱碳层造成淬火后内层马氏体含碳量高于表面马氏体含碳量，由表3可以得出内部的马氏体的比容大于表面马氏体比容，这样表面形成的马氏体与内部的马氏体体积差大，使表面造成很大的拉应力，当上述总应力超过零件本身强度即导致零件开裂，形成表层的张开型淬火裂纹。
3.结语
（1）该批GCr15钢制零件出现表面网状裂纹，应当报废处理。
（2）零件裂纹形成与淬火后，由淬火后应力造成。
（3）GCr15钢制零件热处理过程中，应当防止表面脱碳。
作者：刘爱龙
单位：山东常林机械集团股份有限公司节能液压元件及系统国家重点实验室
来源：《金属加工（热加工）》杂志
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