热处理缺陷引起的零件失效例析

一般来说，机械零件在服役过程中的失效，其原因相当复杂，涉及到设计结构问题、选用的钢种、钢材的冶金质量、钢件的加热、锻造、热处理工艺方法及工艺参数、零件的服役条件（工况）等诸多方面，这些因素又往往相互联系和制约，往往是多种因素交织在一起，有时候从表象上看显得扑朔迷离。尽管人们认识到许多零件失效是由疲劳和（或）冲击造成的，但对引起疲劳或冲击的力的作用机理缺少足够的认识。

以汽车零件为例，对同一形态的失效而言，如果这种失效在各种条件（路面、季节等）下都会发生，则可归结为设计上的原因；如果这种失效方式仅仅在山区恶劣的路面上送砂石和木材而发生，则可归因于服役条件过于恶劣。无论哪种情况，制造厂（司）都应分析原因并予以预防。但要找出失效的真正原因，则并非易事，以下列举几种以热处理缺陷为主要原因的失效实例。

1.1 淬火回火零件

1.1.1 硬度不足引起的扭转疲劳断裂

对经锻造、退火和淬火回火的钢制花键轴在直经40㎜的花键处扭转疲劳断裂件进行

分析：

花键轴由SCr4（40Cr）钢制成，表面硬度很低，仅为23～26HRC。为防止这种断裂，曾改用SCM4（42 CrMo）钢，把轴的表面硬度提高到32～35HRC，但花键轴依然发生扭转疲劳断裂。断口观察发现：以上两种情况的断裂，裂纹都从表面向心部延伸，是典型的扭转疲劳断裂。作为防止扭转疲劳断裂的有效措施是：在不改变轴的尺寸和形状的条件下调整轴的表面硬度。行走试验结果表明：表面硬度在40HRC以上便不发生断裂，而表面硬度在40HRC以下则发生断裂。即便使用含镍的SNCM8（40 CrNiMoA）钢制造，若表面硬度低于40HRC，同样也会发生断裂。而当使用SCr4钢时，只要表面硬度达到40HRC就少有断裂。由此可见，硬度的影响重于钢种的影响。当然，硬度高于40HRC时，对花键的热后加工造成困难是不可避免的。

花键轴经淬火回火后，还应考虑所用钢的淬透性带宽度，硬度达到40HRC的合格率问题。根据花键轴淬火油槽的冷却强度求出的与直经40㎜圆棒的表面和中心相当的乔明尼距离，分别为12.7㎜和19㎜。当然，这两个数值将因淬火装置的冷却强度不同而不同。现根据SCr4H钢的淬透性带来考虑，表面和中心的淬火硬度分别为38～54HRC和 31～47HRC。这里不用中心硬度。实验确定，对0.4%的钢来说，为了在淬火回火后能获得良好的机械性能，其最低淬火硬度为50HRC。实际上，美国公司过去也有把花键轴的表面最低淬火硬度规定为48HRC的，这一最低淬火硬度与SCr4H钢的表面硬度38～54HRC相比，可以认为硬度在48HRC以上的花键轴约占总数的50%。因为只有表面硬度达到48HRC以上的轴经400℃以上温度的回火才能保证表面硬度在40HRC以上，所以热处理合格率仅为50%左右。

当然，可以考虑以降低回火温度来保证硬度，但对于1%Cr左右的SCr4H钢或SCM4H钢而言，在400℃以下回火是不充分的。如能证明经400℃以下回火的花键轴，其硬度能保在40HRC以上，且实际行走试验时不发生断裂，那么降低回火温度也未偿不可。

结论：对于直经40㎜圆棒来说，由于SCr4H钢的淬透性不足，故重点研究了淬透性比SCr4H钢更好的SCM4H钢。当采用SCM4H钢时，圆棒表面和中心的淬火硬度分别为46～57HRC和39～55HRC，表面硬度大部分在48HRC以上，因此决定用SCM4H钢来制造花键轴，且设计要求应把淬火回火后的硬度规定为40HRC以上。

1.1.2 脱碳引起的弯曲疲劳断裂对由S55C钢制成，在长期服役过程中断裂的零件进行失效分析：该工件经锻造、正火后进行淬火回火处理，硬度为20HRC左右。是由弯曲引起的疲劳断裂。通过显微组织观察发现，在断裂起点附近有相当严重的脱碳现象。

1.2 高频淬火零件

早期的小型汽车用发动机曲轴都用SCr4制造，经锻造退火后进行整体淬回火处理，表面硬度规定为40HRC。按这种方案制成的曲轴在服役过程时有断裂现象发生，经断口分析发现：断裂源在弯角附近，断裂源附近硬度在35HRC左右，低于规定值，断口是以弯曲为主的疲劳断口。

作为预防和纠正措施之一是：在不改变曲轴形状、尺寸和钢种的前提下，改用高频淬火。预处理有两种方法：一是锻造、正火、淬火回火，表面硬度为38HRC；二是锻造、正火，表面硬度为18HRC。将上述两种预处理状态的曲轴经同样的高频淬火后装机进行10 h台架试验，然后装车进行行走试验，前者未发生断裂，而后者则从高频淬火硬化层边缘处断裂，断口形貌是以弯曲为主的疲劳断口。

一般说来，当由铬钼合金钢制成的曲轴采用第一种预处理方案时，其硬化层的硬度和深度均优于第二种方案，其缺陷是增加一道淬火回火工序。当采用第二种方案时，若能改变曲轴形状和尺寸，则亦可保证不发生断裂，但实际上要想改变曲轴的形状和尺寸并非一件易事。因此，作为热处理方面，只好考虑在加热线圈上多想办法，如果能把圆角处也淬硬，则或许断裂就可避免。例如，形状和尺寸各不相同的大型发动机曲轴一般均用SC45C（45#）钢制造。其热加工流程为锻造、正火和高频淬火，由这种方法所制造的曲轴，在使用中不发生断裂的例子也是很多的。

结论：对于小型汽车发动机曲轴而言，为了防止断裂的发生，决定改用淬透性较好的SCM4钢，热加工流程是锻造、正火、常规的淬火回火，表面硬度控制在42HRC左右。这种状态的曲轴鲜有断裂。

1.3 渗碳硬化零件

1.3.1 淬火不良引起的断裂

对SCr22钢制作的转向节主销在使用过程中的断裂件进行分析：主销的生产工艺流程是锻造、退火、切削加工、渗碳、淬火回火。如前所述，失效的原因是复杂的，不可一概而论。对主销渗碳层进行显微组织观察可以看到许多网状碳化物，硬度仅为15HRC。在未渗碳部分出现带状铁素体的问题不能简单地看成热处理缺陷。根据分析可知：该主销渗碳后的淬火温度偏低，结果导致淬火硬度偏低，整个零件脆弱且强度不足。 1.3.2 过渗碳引起断裂

对由 SCr22钢制成的差速器行星齿轮的断裂失效件进行分析：该齿轮生产工艺流程是锻造、退火、切齿、渗碳、淬火回火。所使用钢材含碳量为0.25%，比规定值稍高。在渗碳层中可看到较多的粒状碳化物，渗碳层硬度为60～62HRC，深度为1.40㎜，稍深。此外，渗层的裂纹大部分沿晶界形成。齿根处芯部硬度较高。为37HRC。由此可以断定，断裂原因为过渗碳，而且因为淬火温度偏低而致整个齿轮脆弱且强度亦低。

1.3.3 硬度不适引起破坏

对由SNCM21钢制作的传动齿轮失效件进行分析：该齿轮生产工艺流程为锻造、退火、切齿、渗碳、淬火回火。渗碳层表面硬度为61HRC，厚度为1.20㎜。齿根处心部的硬度为25HRC。该硬度值作为传动齿轮的芯部硬度显得过低。

金相组织观察可以看到渗碳层与未渗碳部分交界处裂纹形貌。一般认为，裂纹在硬化层与芯部交界处形成，在交界面上平行于渗层表面扩展，最后垂直表面剥落。根据经验，这种破坏在未渗碳部分硬度较低时容易发生。渗层表面硬度一般在60HRC以上，若把齿轮根圆与齿轮中心线交点处的硬度规定为芯部硬度，则根据经验，轿车传动齿轮的芯部硬度在30～35HRC时，不会发生破坏；反之，高于或低于该范围均易发生非正常损坏。不过，硬度低与高的齿轮，其断口形貌不同。载重汽车齿轮硬度以高一些为佳。当然，这里所分析的失效齿轮是含镍的SNC21钢所制造，但如果保证齿轮芯部硬度在30～35HRC，即便使用SCr22钢或SCM22钢制造，也鲜有断裂。

当然，对某些齿轮而言，即使其芯部硬度不在30～35HRC范围，但在使用中也未必发生损坏，这一事实说明：并非所有齿轮芯部硬度都应规定在该范围。对某些使用条件不太苛刻，工况并不恶劣的齿轮，芯部硬度对其断齿强度则影响甚微。