0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢小轴淬火开裂的失效分析

　　准14mm不锈钢小轴所用材料为0Cr17Ni4Cu-4Nb，简称17-4PH，为马氏体沉淀硬化不锈钢，常采用固溶处理+时效处理的方法进行强化[1]，其热处理工艺流程为1040℃×(12～15)min水冷至室温，再进行420℃×(1.5～2)h空冷的时效处理，处理后硬度要求42～45HRC。一批80根的小轴，在热处理后发现有6根产生了纵向裂纹。由于使用场合比较重要，要求100%检验且100%合格。本文对其产生裂纹的原因进行了失效分析。

　　1 宏观检验

　　出现淬火缺陷的不锈钢小轴表面裂纹数量不等，最多达4条，且独立存在。裂纹笔直、细长，最长的约60mm，均平行于轴线，如图1所示。用线切割机在如图1所示取样部位截取两个试样，分别磨抛纵、横截面。可以看出横截面上的裂纹起裂于表面，在沿轴向扩展的同时并沿径向扩展，具有明显的外阔内尖即“楔”形特征，深度约4.6mm，具有典型的纵向裂纹特征，如图2所示。

　　2 理化分析

　　2.1 金相检验

　　在光学显微镜下观察抛光后未侵蚀试样的纵、横截面。横截面裂纹从表面到心部由粗到细，呈锯齿状，尾部圆钝且有大块灰色夹杂物存在，如图3所示。纵截面裂纹细长呈串链状，两侧有独立存在的颗粒状夹杂物，如图4所示。根据GB/T10561-2005，评定该非金属夹杂物为A类3级、C类1.5级D类1.5级。纵、横截面的主裂纹内部充塞灰色夹杂物，两侧不光滑，如图5所示。

　　光学显微镜下观察用HF∶HNO3∶ H2O=4∶4∶92侵蚀的试样[2]，裂纹两侧及整个试样表面的显微组织为回火马氏体+弥散状析出物+少量δ铁素体，晶粒细小均匀，属正常的固溶+时效处理组织。裂纹有明显的沿晶界分布特征，两侧无脱碳，但内部有较多的灰色夹化物，如图6所示。

　　2.2 硬度测定

　　硬度测试点如图2所示，其平均值为42HRC，符合技术要求。

　　2.3 X射线衍射分析

　　X射线衍射分析结果表明，在不锈钢小轴的显微组织中存在硫化物和碳化物，如图7所示。

　　3 检验结果分析

　　由宏观检验可知，0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢小轴上的淬火裂纹具有典型的纵向裂纹特征。根据理化检验结果，0Cr17Ni4Cu4Nb马氏体沉淀硬化不锈钢小轴的显微组织正常，硬度分布均匀，符合技术要求，说明固溶处理时整个工件已经全淬透，并得到全马氏体组织。未侵蚀的试样表面显示，裂纹内部及两侧存在严重的灰色夹杂物，X射线衍射分析表明，显微组织中存在硫化物、碳化物等。

　　纵向裂纹往往发生在完全淬透的工件上[3]，是因为工件完全淬透时，其心部和表面都得到马氏体组织，尽管外硬度基本一致，但组织转变不是同时进行。淬火冷却时，表面组织先发生奥氏体向马氏体转变，形成硬化层。 随着温度的降低，当心部金属温度降至Ms点时，开始进行奥氏体向马氏体的转变。由于马氏体比容大，来自表面硬化层的压力使工件表面最后形成以组织应力为主的残余拉应力。