GCr15钢轴承圈压开断口检测与分析

1.状态说明

GCr15钢轴承圈经过热加工锻造后球化退火处理，最终热处理为淬回火处理，以便提高工件强度和表面耐磨性。外圆及内孔经过磨削加工，然后在63KN的压断机上压成两半后使用。正常加工的产品，压开后应该为较为平整的断口。图示上部为轴承厂家提供的轴承圈样品，压开断口为平直的边缘。图示下部为公司自行处理的轴承圈产品，压开处为凹凸不平的断口。左下角轴承圈内壁表层为开裂的起始部位，裂纹源明显可见多源台阶，并呈脆性放射状向右上角扩展至外表层处断裂。外表层处有倾斜的细瓷状终断区剪切唇（见图1）。

距轴承圈高度中心，垂直于断面线切割截取样块。镶嵌件的上部为轴承厂家的压断件，右侧为压开的断口，断口较为平整，该样块编号为1#样件。镶嵌件下部为公司自行处理的压断件，右侧同样为压开的断口，呈圆弧状凹凸不平的断口，样块的内壁表层可见明显的白亮层，该样块编号为2#样件（见图2）。

2.化学分析

分别从1#、2#样件的轴承圈上截取样块，尺寸为长25mm×宽25mm×厚15mm，进行化学成分检测，检测设备为Labspark5000精密直读火花光谱仪。检查结果（见附表）表明，化学成分符合材料标准要求。

原材料化学成分（质量分数）的检查结果  （%）

3.金相检测

（1）1#样件检测  压开的断口处表面为平直的穿晶特征形貌，表层未见氧化脱碳现象，次表层为隐针状马氏体＋颗粒状碳化物＋少量残留奥氏体（见图3）。心部组织同样为隐针状马氏体、颗粒状碳化物及少量残留奥氏体，黑白区分布相当明显，这是轴承钢较低温度加热淬火的特征组织，应该属于正常的轴承钢淬回火组织（见图4）。

断面的局部区域为沿圆弧坑开裂的细晶状断口，断续分布的圆弧坑属于非金属夹杂物的脱落坑。在颗粒状夹杂物较多的部位，由于夹杂物与基体组织的结合力较弱，裂纹沿夹杂物边缘扩展。次表层及心部组织仍然为隐针状马氏体＋颗粒状碳化物＋少量残留奥氏体，心部存在少量的带状碳化物（见图5～图 6）。

（2）2#样件检测  轴承圈内壁表层处白亮层较为严重，白亮层为近似等轴状分布的铁素体组织，属于高温高氧化气氛形成的全脱碳层，经测量全脱碳层深度达0.15mm，该组织的强度非常低（见图7）。白亮层以下色泽较深的为贫碳层，贫碳层深度为0.10mm，组织为隐针状马氏体及少量残留奥氏体。由于贫碳层的碳势较低，白色颗粒状碳化物析出较少（见图8）。

轴承圈内壁左侧为开裂起始部位，表面脱碳层较为明显，裂纹的开口处将全脱碳层劈开，断口的起始部位有晶粒脱落的脆性开裂现象（见图9）。断口扩展呈沿晶开裂的特征形貌，有些区域晶粒已经大量脱落，断口二次裂纹的沿晶开裂特征更为明显（见图10）。

断口附近存在大量的晶间熔洞，这是低熔点非金属夹杂物熔融的特征组织。同时伴有晶粒脱落的孔洞以及氧化物浸润的沿晶二次裂纹。表明热加工锻造过程中，加热温度较高，晶界弱化，晶间结合力显著降低，在锻造应力作用下局部已经形成锻造热裂纹（见图11）。试样的心部同样存在较明显的晶间熔洞组织，颗粒状碳化物分布也不太均匀（见图12）。

4.结论与分析

夹杂元素硫以化合物的形态存在于钢铁材料的基体中，它首先与锰结合形成1600℃高熔点硫化锰，剩下的硫与铁结合形成1200℃左右低熔点硫化铁以及980℃共晶硫化铁，硫化铁以及共晶硫化铁才是形成晶间溶洞的低熔点夹杂物。硫化物夹杂虽然没有氧化铝夹杂的危害性大，但较多量的硫化物也对基体组织造成损伤，降低材料强度，增加材料脆性，极易形成锻造热裂纹。带状碳化物的存在，同样降低材料强度和韧性，严重的带状碳化物更加能够割断基体的连续性。

1#样件的断口较为平整，以穿晶断裂特征为主，局部呈现沿颗粒状夹杂物开裂的圆弧坑，这是低熔点硫化物夹杂分布不均匀造成的。2#样件锻造加热温度过高，晶界宽化，晶间弱化，甚至形成低熔点夹杂物熔融的晶间熔洞，材料强度显著降低，在锻造应力作用下，局部区域产生沿晶开裂的微裂纹。也正是由于锻造的高温加热，使裂纹内充满高温氧化物。锻件既存热锻开裂的沿晶微裂纹，以及内壁表层较严重的脱碳层，进一步降低材料的抗拉强度，使工件在压断过程中形成多台阶的应力集中裂纹源，然后形成放射状扩展的脆性断裂特征。

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