34CrNiMo6鋼最早隨著某艦船柴油發(fā)動(dòng)機(jī)引進(jìn)于德國(guó),，為低合金高強(qiáng)鋼，因其優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,，廣泛用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸及連桿等重要零件,。某公司生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸即由34CrNiMo6鋼制造，其主要生產(chǎn)流程為：原材料軋制方鋼→下料→鍛造→正火→高溫回火→斷口檢驗(yàn)→調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)→機(jī)加工→裝配,。為了保證曲軸零件的質(zhì)量,，避免鍛造過熱過燒的曲軸毛坯流入下道工序，造成產(chǎn)品質(zhì)量下降或者產(chǎn)品不合格,，給公司帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失,，特對(duì)34CrNiMo6鋼鍛造過熱過燒斷口進(jìn)行分析研究,，為判定鍛造內(nèi)部質(zhì)量提供可靠依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用試樣來源：原材料軋制方鋼(OD185×185mm)→下料(長(zhǎng)度110mm)→鍛造(直徑Φ140mm,、長(zhǎng)度200mm),。

取樣位置如圖1所示。斷口試驗(yàn)處理工藝：鍛造+正火,。

力學(xué)性能試驗(yàn)處理工藝：鍛造+正火→淬火+高溫回火,。

2 試驗(yàn)工藝

所選試驗(yàn)工藝如表1。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 按試驗(yàn)工藝處理后的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果和宏觀斷口形貌,。

從表2中可以看到,，4組樣品的拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。根據(jù)資料,，非穩(wěn)定過熱對(duì)靜載力學(xué)性能影響不大,，而穩(wěn)定過熱對(duì)塑性和韌性有較大影響，本試驗(yàn)得到的穩(wěn)定過熱組織只占斷口面積的一部分,，因此塑性和韌性的降低并不明顯,，只有晶粒粗大的4#樣塑性值(A、Z)和韌性值(AKU2)有所下降,。對(duì)于過熱和過燒材料來說,，熱處理狀態(tài)對(duì)力學(xué)性能的影響巨大。在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下,，材料處于韌性狀態(tài),，對(duì)于非穩(wěn)定過熱影響很小，對(duì)于穩(wěn)定過熱和過燒來說要看其嚴(yán)重程度,，本試驗(yàn)中穩(wěn)定過熱和過燒發(fā)生在局部斷口上,，鋼的塑性和沖擊韌性值沒有明顯的降低。但是如果整個(gè)斷面都存在嚴(yán)重的穩(wěn)定過熱或過燒,，晶界弱化的后果就充分顯現(xiàn)出來,，會(huì)極大降低鋼的力學(xué)性能，特別是沖擊韌性,，這時(shí)只需很小的力就會(huì)使其沿晶界裂開,。

3.2 宏觀斷口形貌特征

記錄了不同試驗(yàn)工藝下試件的斷口形貌，從中可以看出隨加熱溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng),，斷口由細(xì)結(jié)晶狀變?yōu)榇纸Y(jié)晶狀直至出現(xiàn)石狀,。而加熱溫度的升高對(duì)材料的過熱或過燒的影響程度較大。從宏觀斷口來看,，1#斷口為纖維狀,，顆粒較細(xì)，無金屬光澤，屬正常斷口,；2#斷口呈現(xiàn)銀亮色小刻面,，但非常細(xì)小，屬于輕微過熱,，經(jīng)過淬火,、高溫回火后，結(jié)晶狀斷口消除,。3#斷口為粗結(jié)晶狀,，經(jīng)過淬火、高溫回火后,，在斷口的個(gè)別部位仍保留了石狀,，形貌見圖3(b),這種石狀斷口是否可以通過正火來消除，需要通過掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果來決定,。4#斷口非常粗大為結(jié)晶狀和石狀的混合斷口,，經(jīng)過淬火、高溫回火后,，仍保留了較為嚴(yán)重的石狀,。

3.3 金相試驗(yàn)結(jié)果

1#金相組織為均勻的回火索氏體，是正常的調(diào)質(zhì)組織,，組織不均勻,，局部已經(jīng)開始變的粗大，呈現(xiàn)出了織構(gòu)特征 ,組織晶粒大小不一,，出現(xiàn)了混晶，此時(shí)晶粒已開始迅速長(zhǎng)大,；4#組織很粗,，已出現(xiàn)粗大的織構(gòu)狀組織，晶粒度達(dá)到了0級(jí)甚至更粗,，為嚴(yán)重的過熱或過燒組織,。

3.4 斷口的微觀形貌

掃描電鏡分析結(jié)果表明，1#斷口是由大量的韌窩組成,，為韌性斷裂的形貌特征,，如圖5(a)。2#斷口主要由韌窩狀組成,，局部斷口上顯示有石狀特征,，如圖5(b),為沿晶脆性斷裂，晶面上基本沒有析出物,，只有個(gè)別區(qū)域?yàn)闇\韌窩,，屬于偽石狀斷口 [3] 。3#和4#宏觀下看到的石狀斷口，在掃描電鏡下為沿晶斷裂,，晶面上有大量的MnS析出,，表現(xiàn)出了穩(wěn)定過熱特征；4#斷口還出現(xiàn)了晶界熔化現(xiàn)象,，形成了過燒,。

4 分析與討論

金屬由于加熱溫度過高或保溫時(shí)間過長(zhǎng)而引起的奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗大的馬氏體組織,，使零件變脆的現(xiàn)象,，稱之為過熱。

過熱斷口宏觀特征主要表現(xiàn)為細(xì)結(jié)晶狀,、粗結(jié)晶狀和石狀,，當(dāng)加熱溫度過高或高溫保溫時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)晶粒長(zhǎng)大，首先產(chǎn)生細(xì)結(jié)晶狀斷口,，隨著過熱的嚴(yán)重程度增加,，則出現(xiàn)粗結(jié)晶狀斷口，也稱為奈狀斷口,，這兩種斷口表面均有金屬光澤,，分布著許多位向不同的反光小平面，當(dāng)過熱程度繼續(xù)增加時(shí),，原奧氏體晶界嚴(yán)重粗化,，高溫時(shí)溶入奧氏體中的第二相，在冷卻過程中沿原奧氏體晶界析出,，受力時(shí)沿晶界斷裂,，斷口呈灰白色，無金屬光澤,，如同砂石鑲嵌與斷面上,，稱為偽石狀斷口。當(dāng)過熱不嚴(yán)重時(shí),，一般可以通過退火,，正火，淬火等方法重新使晶粒細(xì)化,，但過熱嚴(yán)重時(shí),，用熱處理的方法不能消除，這時(shí)對(duì)力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)為沖擊韌性的大幅度下降,。

不同的金屬材料,，它的過熱表現(xiàn)形式也不同，晶粒長(zhǎng)大到何種程度算過熱,，需要結(jié)合金相組織特征進(jìn)行分析,仍然難以判斷時(shí),，需結(jié)合力學(xué)性能或借助于掃描電鏡,、透射電鏡等進(jìn)行分析，而不能只根據(jù)斷口形貌進(jìn)行判斷,。

在斷口檢驗(yàn)中,，過熱的情況最為復(fù)雜，理論上可分為穩(wěn)定過熱和非穩(wěn)定過熱,，穩(wěn)定過熱晶界上會(huì)出現(xiàn)析出相,，用熱處理方法不能消除；非穩(wěn)定過熱晶界上沒有析出相,，可以通過熱處理的方法得到改善或消除,。穩(wěn)定過熱較為復(fù)雜，有兩種情況,，一種是由于析出相引起的穩(wěn)定過熱,，它的形成是因?yàn)楦邷貢r(shí)固溶于奧氏體中的第二相(主要是MnS),在冷卻時(shí)沿奧氏體晶界析出，因固溶溫度較高,，在一般的正火,、淬火溫度下不能重新溶入基體，形成穩(wěn)定過熱,。其嚴(yán)重程度取決于沿奧氏體晶界析出相的多少,。另一種是由于晶粒遺傳組織引起的穩(wěn)定過熱。但是如果在軋制或鍛造后形成粗大晶粒,，冷卻時(shí)會(huì)在原奧氏體的大晶粒內(nèi)形成許多小晶粒,，但這些小晶粒的空間取向與大晶粒保持著一定的位向關(guān)系，在重新加熱時(shí)這些小晶粒還原成原來的奧氏體大晶粒,，空間取向基本不變,，在冷卻到室溫后，奧氏體大晶粒又重新分割成若干個(gè)小晶粒,，這樣從形式上看晶粒得到了細(xì)化,，而實(shí)質(zhì)上還是原來的大晶粒，斷口仍保留了晶粒粗大的特征,，材料韌性明顯下降,。這時(shí)也形成了穩(wěn)定過熱,。材料過熱后,，強(qiáng)度指標(biāo)下降并不明顯，而對(duì)韌性指標(biāo)則影響較為顯著,。特別是在脆性狀態(tài)下,，沖擊值會(huì)顯著降低，受到很小的作用力時(shí)就有可能發(fā)生斷裂,，所以危害較大,。

過燒是指加熱溫度過高時(shí),，晶界氧化、出現(xiàn)顯微空洞和開始部分熔化的現(xiàn)象,。金屬材料的過燒,，首先發(fā)生于晶界，這是由于晶界具有較高的動(dòng)能,，并且存在著大量的空位,、位錯(cuò)以及低熔點(diǎn)化合物和雜質(zhì)元素的富集，使晶界熔點(diǎn)低,，當(dāng)材料加熱溫度過高,、并在高溫段停留時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，首先在晶界上出現(xiàn)顯微空洞以及氧化和熔化,，材料過燒后,，斷口表面呈淺灰色、無金屬光澤的極為凹凸不平的石狀,，嚴(yán)重時(shí)石狀分布于整個(gè)斷面,，受力時(shí)表現(xiàn)為沿晶脆性斷裂。

根據(jù)晶界的特性得知,，晶界本身存在著許多合金碳化物,、空位以及雜質(zhì)元素的富聚等，當(dāng)晶界發(fā)生氧化,、出現(xiàn)顯微孔洞和剛剛開始熔融時(shí),，用金相顯微鏡通常觀察到的是較粗的黑色晶界，這時(shí)只能借助于電鏡觀察到晶界上的氧化物,、空洞和輕微的熔化現(xiàn)象,，只有當(dāng)過燒嚴(yán)重時(shí)，才能用金相顯微鏡觀察到晶界的氧化和熔化特征,。

材料過燒后晶界脆化,，晶粒間結(jié)合力顯著下降，使材料的力學(xué)性能大幅度降低,，特別是沖擊韌性的影響最為嚴(yán)重,。因此，在生產(chǎn)中材料或零件出現(xiàn)過燒時(shí)無法通過熱處理的方法進(jìn)行挽救,，只能報(bào)廢處理,。

試驗(yàn)中2#出現(xiàn)的偽石狀斷口，其宏觀形貌類似石狀斷口,。它與石狀斷口的主要區(qū)別是在原奧氏體晶界上沒有或僅有極少量的第二相質(zhì)點(diǎn)析出,。偽石狀斷口與石狀斷口一樣，能降低鋼的塑性和沖擊韌性,。對(duì)晶界無析出相的偽石狀斷口,，用一般的熱處理方法可以改善或消除,，因此它是一種不穩(wěn)定過熱特征。在個(gè)別部位析出的MnS可以看成是非金屬夾雜物,，在數(shù)量少于非金屬夾雜物檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)量范圍內(nèi),，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量不會(huì)造不良影響。

3#和4#斷口在掃描電鏡下均為沿晶斷裂,，晶面上有大量的MnS析出,，表現(xiàn)出了穩(wěn)定過熱特征。4#斷口還出現(xiàn)了晶界熔化現(xiàn)象,，形成了過燒,。石狀斷口的成因是加熱溫度過高、奧氏體晶粒粗大,、冷卻時(shí)沿原奧氏體晶界析出第二相質(zhì)點(diǎn),；多數(shù)合金鋼析出的是硫化錳。上述試驗(yàn)表明,，在34CrNiMo6鋼中石狀斷口的過熱小平面是由大量韌窩組成的,，韌窩底部有MnS沉淀。經(jīng)調(diào)質(zhì)后獲得穩(wěn)定過熱的石狀斷口是一種不可逆缺陷,，用熱處理的方法不能改善或消除,。過熱不僅使晶粒長(zhǎng)大，而且使那些分布在晶內(nèi)的MnS夾雜物分解,，形成硫和錳,。而在隨后的冷卻過程中，硫和錳又重新化合成新的非常細(xì)小的MnS夾雜物,。這種在固態(tài)下硫化物的分解和析出與液態(tài)向固態(tài)的結(jié)晶不同,，他們沿著晶界邊界析出，造成晶界弱化,，在受到較小的作用力時(shí)就會(huì)沿晶界裂開,，形成石狀斷口。因此出現(xiàn)石狀斷口時(shí)零件必須予以報(bào)廢,。

5 研究結(jié)果

通過對(duì)34CrNiMo6鋼鍛造過熱,、過燒宏觀斷口、微觀斷口及力學(xué)性能的分析研究,，提供了34CrNiMo6鋼過熱,、過燒的斷口形貌、靜態(tài)力學(xué)性能,、金相組織及其相關(guān)研究數(shù)據(jù),，確定了過熱過燒斷口界限的評(píng)判依據(jù),，為準(zhǔn)確判定鍛件的內(nèi)部質(zhì)量提供了技術(shù)支持,。