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[讨论] 40Cr齿轮轴断裂原因分析 如何防止回火脆性?

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[LV.2]偶尔看看I

发表于 2016-3-17 15:29:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
北京中仪天信科技有限公司
本帖最后由 丁小布 于 2016-3-21 09:26 编辑

                    

     40Cr经热处理后因其良好的综合性能常用于轴类加工,某用户使用40Cr加工齿轮轴,经淬火(850℃保温120分钟油冷)、回火(350~370℃保温120分钟水冷)处理后,在安装螺母时出现批量断裂,笔者受委托对齿轮轴断裂原因进行分析。
1、宏观检验

齿轮轴断裂位置均在轴和齿交界处,断口裂纹源均位于表面,扩展区较少,大部分为放射状瞬断区,如图1所示,断口平齐,无明显塑性变形。

                                                           


2、理化检验

对所送断裂件进行化学成分、断口形貌、金相组织、晶粒度分析。

2.1化学成分

  断裂件化学成分光谱分析结果 (质量分数,%)见表1,成分符合GB/T3077-1999  技术要求。


                                 

2.2断口检验

在Zeiss EVO40扫描电镜下观察断口,裂纹起源于表面,未发现夹杂等冶金缺陷(图2),整个断面以沿晶断裂为主,小部分区域为沿晶和韧窝混合断口(图3)
                                                           


                                                           



2.3金相检验

   切取过裂纹源的纵向截面磨制金相试样,使用zeiss 200MAT金相显微镜观察,非金属夹杂物评级为:A1.5,B0.5,C0,D1.0,用饱和苦味酸腐蚀后,晶粒度为7.5~8级,用3%硝酸酒精腐蚀后,金相组织为回火屈氏体(图4)。
                                                           


3         回火脆性试验

3.1 冲击试验
     因试样组织和晶粒度正常,断口以沿晶断裂为主,因此初步推断为回火脆性所致,为确定40Cr钢在350℃~370℃是否出现回火脆性,取两组试样使用NCS  NI500冲击试验机进行试验,热处理工艺为:
淬火:850℃保温一小时,机油冷却,不同回火温度下保温一小时,水冷,U型缺口,结果见表2,冲击值与回火温度的对应关系见图5.

                                                      


                                                      


3.2断口形貌

     不同回火温度下冲击试样断口形貌见图6,


                                                         



                                                         



                                                         



                                                         


3        分析与讨论:

        40Cr作为中碳调质钢,一般采用淬火+高温回火,资料记载,Mn、Cr钢在较低温度回火时容易出现回火脆性,由模拟试验冲击值与断口形貌可以看出, 240℃以下回火断口以准解理为主,冲击值较低,随回火温度提高冲击值上升,280℃-380之间断口出现明显的沿晶断口,350℃时沿晶断口所占比例最多,冲击值明显降低,460℃以上断口以韧窝为主,冲击值大幅提高,钢材化学成分、晶粒度、非金属夹杂物、金相组织均符合技术标准要求,模拟试验结果表明工件采用的热处理工艺使材料出现回火脆性。


4 结语

     ( 1)工件使用的钢材符合技术标准要求;

     (2)由于用户在易出现回火脆性的温度范围内回火,导致工件出现回火脆性,在安装过程中受力断裂,建议将回火温度提高到500℃以上,以获得良好的综合机械性能。


问题来了 ,我们知道回火脆性,是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。淬火钢在回火时,随着回火温度的升高,硬度降低,韧性升高,但是在许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了两个低谷,一个在 200~400℃之间,另一个在400~650℃之间。这样一来似乎就没有什么回火区间了在200~650之间,因此如何防止回火脆性呢?

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点赞  发表于 2016-3-20 08:02

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[LV.4]偶尔看看III

发表于 2016-3-21 22:14:20 | 显示全部楼层
纠结于"回火脆性"无助于寻找齿轮轴断裂的真实原因.这个齿轮轴具体尺寸未知.客户技术要求未知.根据上面所说的"淬火:850度,保温120分钟"."回火:350-370,保温120分钟".工件直径应不小的.众所周知冲击试样是有规定尺寸的.取样问题.350-370回火后的性能并非通常轴类所需性能.冲击值是相对动态载荷的.并非完全等于脆性.应全面分析.
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[LV.7]常住居民III

发表于 2016-3-18 21:23:45 | 显示全部楼层
可以去发表文章了,牛人
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[LV.Master]伴坛终老

发表于 2016-3-19 04:06:39 | 显示全部楼层
同意楼主的意见,应该避免在第一类回火脆性区域回火。几乎所有钢均存在第一类回火脆性,它与回火后的冷却速度无关。如果一定要这个硬度,建议用等温淬火代替。
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[LV.4]偶尔看看III

发表于 2016-3-19 21:28:09 | 显示全部楼层
40Cr材料经热处理淬火,高温回火得到回火索氐体,使其具有良好的综合机械性能.而350-370回火只能是屈氐体组织冲击值较低.要从齿轮轴的选材.工艺要求等全面考虑.
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签到天数: 489 天

[LV.9]以坛为家II

发表于 2016-3-20 15:35:13 | 显示全部楼层
定论为“回火脆性”只是一种从经典理论出发的推定,很难提供从理化检测上获得证据。
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[LV.3]偶尔看看II

发表于 2016-3-20 20:56:51 | 显示全部楼层
dhzhou888 发表于 2016-3-19 04:06
同意楼主的意见,应该避免在第一类回火脆性区域回火。几乎所有钢均存在第一类回火脆性,它与回火后的冷却速 ...

你好,请问等温淬火后冲击韧性会相对比在脆性区间回火要高很多吗?
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[LV.2]偶尔看看I

 楼主| 发表于 2016-3-21 09:30:04 | 显示全部楼层
dhzhou888 发表于 2016-3-19 04:06
同意楼主的意见,应该避免在第一类回火脆性区域回火。几乎所有钢均存在第一类回火脆性,它与回火后的冷却速 ...

问题来了 ,我们知道回火脆性,是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。淬火钢在回火时,随着回火温度的升高,硬度降低,韧性升高,但是在许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了两个低谷,一个在 200~400℃之间,另一个在400~650℃之间。这样一来似乎就没有什么回火区间了在200~650之间,因此如何防止回火脆性呢?
欢迎指教,讨论
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[LV.2]偶尔看看I

 楼主| 发表于 2016-3-21 09:30:29 | 显示全部楼层
rcl2015 发表于 2016-3-20 20:56
你好,请问等温淬火后冲击韧性会相对比在脆性区间回火要高很多吗?

问题来了 ,我们知道回火脆性,是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。淬火钢在回火时,随着回火温度的升高,硬度降低,韧性升高,但是在许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了两个低谷,一个在 200~400℃之间,另一个在400~650℃之间。这样一来似乎就没有什么回火区间了在200~650之间,因此如何防止回火脆性呢?
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[LV.2]偶尔看看I

 楼主| 发表于 2016-3-21 09:31:00 | 显示全部楼层
qingrao8 发表于 2016-3-19 21:28
40Cr材料经热处理淬火,高温回火得到回火索氐体,使其具有良好的综合机械性能.而350-370回火只能是屈氐体组织 ...

问题来了 ,我们知道回火脆性,是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。淬火钢在回火时,随着回火温度的升高,硬度降低,韧性升高,但是在许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了两个低谷,一个在 200~400℃之间,另一个在400~650℃之间。这样一来似乎就没有什么回火区间了在200~650之间,因此如何防止回火脆性呢?
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[LV.Master]伴坛终老

发表于 2016-3-21 12:37:03 | 显示全部楼层
第二类回火脆性可以通过回火后的快冷来避免。
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[LV.10]以坛为家III

发表于 2016-3-21 14:07:00 | 显示全部楼层
:lol分析的不错,回火温度也不是随便定的
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签到天数: 22 天

[LV.4]偶尔看看III

发表于 2016-3-21 15:43:36 | 显示全部楼层
楼主可以发论文了,这个虽然不是什么新东西,但是数据很全,文中的回火脆性没法避免,只能改变回火温度区间。要不就是换材料。
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[LV.1]初来乍到

发表于 2016-3-22 10:08:24 | 显示全部楼层
确实不必纠结于"回火脆性",略微提高回火温度,避开Ak值下降的温度区间,同时又能保证图纸的技术要求就OK了。从你的冲击试验结果看,提高回火温度是有空间的,不知还能否保证其他指标(硬度?强度?。。。)
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[LV.6]常住居民II

发表于 2016-3-22 10:59:27 | 显示全部楼层
楼主不要纠结于第二类回火脆性,从你的曲线图上看,第二类回火脆性不明显。也就是说不是所有材料都有第二类回火脆性。第一类回火脆性也可以采用高温短时间的方法进行避免。要不然就是更换材料。
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[LV.2]偶尔看看I

 楼主| 发表于 2016-3-22 11:00:45 | 显示全部楼层
szchyuan 发表于 2016-3-22 10:59
楼主不要纠结于第二类回火脆性,从你的曲线图上看,第二类回火脆性不明显。也就是说不是所有材料都有第二类 ...

謝謝你的回覆
謝謝你的回覆,後面的不要看字節不夠,然後就打幾個字而已
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签到天数: 96 天

[LV.6]常住居民II

发表于 2016-3-22 11:31:52 | 显示全部楼层
本帖最后由 闲看流水 于 2016-3-22 12:56 编辑

从你的试验看用原来的设计和工艺是不能防止回火脆性的。我认为可根据具体情况来改善或避免出现这类问题:
1.根据设计要求和实际条件,看能否用等温淬火代替淬回火
2.用其他材质钢代替,特别是含Nb或Mo钢,如40CrMo等,看能否达到性能要求
3.注意到你检测的晶粒度7.5~8.0,略粗,有一定的改善空间;控制前面工序和热处理,看能否采取在不怎么增加成本的情况可以细化晶粒的措施,如晶粒度能达到8.5~9.0,脆性应可以明显改善
4.如以上措施或条件根本达不到,那么原设计要求应彻底更改。
5.最重要一点,要看设计要求是否合理!
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[LV.2]偶尔看看I

 楼主| 发表于 2016-3-22 11:54:27 | 显示全部楼层
闲看流水 发表于 2016-3-22 11:31
从你的试验看用原来的设计和工艺是不能防止回火脆性的。我认为可根据具体情况来改善或避免出现这类问题:
...

感谢你的非常有条理有思路专业性强的回复!
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签到天数: 4 天

[LV.2]偶尔看看I

 楼主| 发表于 2016-3-22 12:00:41 | 显示全部楼层
dhzhou888 发表于 2016-3-21 12:37
第二类回火脆性可以通过回火后的快冷来避免。

感谢周老前辈的参与,谢谢您
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