40Cr齿轮轴断裂原因分析 如何防止回火脆性？

丁小布

                    

     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？

qingrao8

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.

leeyoung007

不错！！！！！！！！！！！

或许

可以去发表文章了，牛人

dhzhou888

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。

qingrao8

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.

两湖两广两河山

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。

rcl2015

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？

丁小布

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

丁小布

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？
欢迎指教，讨论

丁小布

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？
欢迎指教，讨论

dhzhou888

第二类回火脆性可以通过回火后的快冷来避免。

eagleskying

:lol分析的不错，回火温度也不是随便定的

lbaoyi

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。

hmx

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？。。。）

szchyuan

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。

丁小布

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

闲看流水

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！

丁小布

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！

丁小布

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