某廠生產(chǎn)的一批鋼閥桿中，由于在受力時發(fā)生斷裂。該批鋼閥桿材料為42OM0鋼,外形尺寸為 <f)6 mm x 10 mm,熱處理工藝為（850 ±10) ℃ x 6 h 調(diào)質(zhì)處理,(560 ±10) ℃ x4 h表面氮化，500℃ x2 h 回火。熱處理技術(shù)要求:鋼閥桿的表面硬度650 ~ 700HV，心部硬度名500 HV，滲層深度0. 25 ~ 0.30 mm。為了了解鋼閥斷裂失效的原因，采用金相顯微鏡分析鋼閥桿內(nèi)徑表層及心部的組織特征，用顯微硬度計測定試樣滲層深度和硬度梯度分布，從組織結(jié)構(gòu)和基體與滲碳層界面分析失效原因。

       斷裂鋼閥桿的斷裂位置在閥桿內(nèi)徑受擠壓力作用后，內(nèi)徑表面產(chǎn)生裂紋,并在外力的作用下，延伸至閥桿外表層,最后閥桿發(fā)生斷裂。

顯微組織分析

對零件斷裂部位取樣進(jìn)行金相顯微組織分析，用4%硝酸酒精溶液侵蝕試樣。42CrMo鋼閥桿滲氮回火后的顯微組織,是未熱處理的原始材料的基體組織為鐵素體，是鋼閥桿的心部組織為回火索氏體，鋼閥桿內(nèi)徑表面滲氮層組織，可以明顯看出，在滲氮層與基體之間存在明顯的脫氮層，這是引起該區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致裂紋源出現(xiàn)的主要原因。

硬度分析

       用顯微硬度計測定了42CrMo鋼閥桿硬度梯度分布情況,試驗所用載荷為100 g，時間為15 s。，鋼閥桿內(nèi)徑表面硬度為756.1 HV，與技術(shù)要求相比，硬度偏高;但從距離內(nèi)徑表面0.10 mm處開始，隨著深度的增加，硬度下降很快，表現(xiàn)為硬度梯度較陡;在過渡層硬度為565.3 HV處時，所對應(yīng) 的滲層深度不到0. 20 mm，低于技術(shù)要求的0. 25 ~0.3 mm;延伸至心部0.4 mm處的硬度為282 HV。 滲氮層淺、軟氮化硬度偏低和硬度梯度過陡,從而導(dǎo)致鋼閥桿過渡層強(qiáng)度偏低。此外，從硬度梯度分布曲線也可以看出，滲層深度也沒有滿足該鋼閥桿的技術(shù)要求。

斷裂失效原因分析及討論

       顯微組織表明，鋼閥桿內(nèi)徑表面滲碳層存在較大的馬氏體,回火后硬度仍很高,達(dá)到756 HV，這 是由于粹火馬氏體回火轉(zhuǎn)變不充分所致。過渡層中存在大量貝氏體和低碳馬氏體組織,造成貝氏體和低碳馬氏體組織出現(xiàn)的原因是碳含量和滲氮深度不夠。在距表面0.08-0. 12 nun的區(qū)域內(nèi)，硬度下降很快，導(dǎo)致閥桿有效硬化層深度不足0.20 mm，同時硬度梯度陡，說明鋼閥桿內(nèi)徑由表及內(nèi)碳濃度變化過大。這是由于鋼閥桿滲氮前熱處理工藝不當(dāng)，引起閥桿內(nèi)徑表面碳流失。據(jù)了解，該廠之前采 用的技術(shù)要求未針對鋼閥桿內(nèi)徑進(jìn)行特殊處理。因 此造成鋼閥桿在調(diào)質(zhì)過程中，由于內(nèi)徑小，保護(hù)氣氛在內(nèi)徑流動性不足，使得高溫調(diào)質(zhì)過程中，閥桿內(nèi)徑 表面出現(xiàn)氧化脫碳現(xiàn)象,從而導(dǎo)致鋼閥桿滲氮后，顯微硬度從表到里差異大。

       由于42CrMo鋼閥桿使用時倒角部位承受較大的擠壓力,造成閥桿在內(nèi)徑接觸面和過渡區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中。在外力作用下，閥桿內(nèi)徑強(qiáng)度偏低的過渡層和心部組織難以承受較大的接觸應(yīng)力，發(fā)生塑性變形。隨著塑性變形的反復(fù)進(jìn)行，外加應(yīng)力超過了閥桿的強(qiáng)度極限，在強(qiáng)度較低的脫碳層薄弱處，形成了沿鐵素體分布的微裂紋。此外，由于過渡層強(qiáng)度偏低，導(dǎo)致材料抵抗裂紋擴(kuò)展的阻力降低，于是裂紋在外加應(yīng)力反復(fù)作用下，逐漸從鋼閥桿內(nèi)徑表層向過渡層擴(kuò)展，造成鋼閥桿表面硬化層的塌陷、凹坑和剝落，最終發(fā)生斷裂失效。

閥桿斷裂的最主要原因是內(nèi)徑表面氧化脫碳和應(yīng)力集中，必須從這兩個方面對閥桿的結(jié)構(gòu)和熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)。

(1) 閥桿結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷，應(yīng)在不影響閥桿運行狀況下增大閥桿內(nèi)徑直徑。

(2) 鋼閥桿受到過載，在鋼閥桿接觸面和過渡區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中。在表面組織粗大，硬化層較淺，硬度梯度較陡的情況下，易造成過渡層局部應(yīng)力超過鋼閥桿強(qiáng)度，在薄弱處形成裂紋并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂失效。故此，因盡量避免閥桿各部位出現(xiàn)尖角，并降低各部位表面粗糙度，改善整個閥桿的應(yīng)力集中狀況，并保證閥桿運行時足夠潤滑，接觸良好，盡量減少沖擊和過載的發(fā)生。

(3) 閥桿在調(diào)質(zhì)過程中,通過攪拌或風(fēng)扇裝置，提高保護(hù)氣體的流動性，尤其提高閥桿內(nèi)經(jīng)暢通的保護(hù)措施，檢查內(nèi)徑是否存在雜物或堵塞現(xiàn)象，避免氣體流動不足而引起的氧化脫碳、滲氮層硬度和深度不足

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