38CrMoAl圆钢调质裂纹形成原因分析

1.1 试验材料

    38CrMoAl 钢对应GB /T 3077—2015《合金结构钢》中化学成分如表1所示，原材料加工流程为φ600 mm圆坯→锻造→下料→粗车→调质→精车。淬火温度为( 920±10) ℃，保温3h进行奥氏体化，然后用AQ251水剂淬火，介质浓度为8%～10%，冷却时间≥15min，然后在2h内进行回火，回火温度为( 600±10) ℃，保温8h 后空冷。

1.2 试验方法

     首先检测原材料的宏观形貌和局部放大形貌，切取φ310 mm、厚度为20mm 的38CrMoAl 锻造后圆钢试样，用50%热盐酸水溶液进行腐蚀，观察锻造后试样宏观形貌，然后再切取原材料中心试样，观察锻造后局部放大形貌。对调质处理后38CrMoAl 圆钢裂纹试样先观察其裂纹宏观形貌，并且对裂纹处切取高倍试样并将其进行编号，如图1所示。将裂纹高倍试样采用Thermal Fisher AＲL8860 直读光谱仪测量裂纹试样化学成分，并且对高倍试样抛磨后，用体积分数为4%的硝酸酒精进行腐蚀，然后用光学显微镜观察显微组织和微观形貌，并用扫描电镜检测裂纹处氧化物、夹杂物等。

2.1 化学成分

    对出现调质裂纹的1号试样和2号试样进行化学成分检测，结果见表2，1号试样的碳含量不符合GB/T3077—2015《合金结构钢》要求，大于38CrMoAl 钢国标要求的上限。2号试样化学成分符合其要求，但碳含量偏低，接近要求下限。

2.2 低倍试验

     对锻造后原材料用50%的热酸侵蚀法观察低倍形貌，如图2 (a) 所示，试样边缘较致密，试样内部存在中心疏松、点状偏析和中心裂纹，根据GB /T1979—2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》可知，试样中心疏松为2.0 级，点状偏析为1.0 级，符合低倍组织疏松级别评定标准。观察锻造后试样中心局部放大形貌，从图2(b) 可知，锻造试样中心存在裂纹和孔隙等缺陷，这些缺陷在调质过程中诱发裂纹。

2.3 裂纹形貌及微观组织分析

    φ310 mm 的38CrMoAl 圆钢经过调质处理后在圆钢心部位置出现了裂纹，裂纹长度约为120mm，心部裂纹宽度为2mm，裂纹由中心部位向圆钢端面扩展，裂纹尾端尖锐，裂纹方向垂直于圆钢端面，如图3 所示。

    对切取的裂纹试样1号和2号经过逐级研磨、抛光后采用光学显微镜在100倍下观察，按GB /T10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》进行评级，硫化物类、氧化铝类、硅酸盐类、球状氧化物类、单颗粒球状氧化物类等各类非金属夹杂物评级均未超过1.0 级，如表3 所示。

    裂纹微观形貌如图4所示，裂纹呈锯齿状，裂纹尾部走向曲折、尖锐，裂纹内充满灰白色物质，裂纹附近未见非金属夹杂物。

     图5为1号试样的显微组织，裂纹两侧无脱碳现象，在裂纹处附近存在孔洞，裂纹处组织为回火索氏体和贝氏体铁素体块，见图5(a，b) ，纵向存在严重的组织偏析，其显微组织与试样横向组织一致，见图5(c) 。

     图6为2号试样的显微组织，由图6可见，裂纹尾部两侧也无脱碳现象，裂纹处组织为回火索氏体+ 铁素体+ 少量贝氏体组织。

2.4 扫描电镜观察

    为了确定裂纹中灰白色物质(见图7) 是铸坯所带夹杂物还是在调质过程中产生的氧化物，将高倍试样在扫描电镜下进行观察，见图7(a) ，用能谱仪(EDS)对裂纹内氧化物进行成分分析见图7(b) ，裂纹内部氧化物主要以Fe、O 为主。

2.5 分析与讨论

    从化学成分分析可知，φ310 mm 的38CrMoAl 圆钢心部1号试样化学成分碳含量不符合GB /T 3077—2015 的规定范围，碳含量超过其规定的最大值; 裂纹尾部2号试样化学成分满足其规定，说明在连铸过程中，铸坯在凝固时溶质元素不断向心部富集，导致心部碳含量偏高，由于成分偏析在后续热处理工艺中难以消除，导致钢的物理和力学性能发生显著变化。一般情况下，碳含量越高越容易诱发出现淬火裂纹，而Cr、Mo 含量越高会降低钢的塑性，也易诱发淬火裂纹。

    从锻造后低倍形貌可知，φ310 mm 的38CrMoAl圆钢心部存在缩松、中心疏松和中心裂纹等缺陷。原材料存在的冶金缺陷通常会和宏观或者微观的内应力发生作用，会在调质过程诱发裂纹，裂纹会沿着冶金缺陷( 缩孔、疏松等) 形成的自由内表面扩展，促使裂纹进一步扩展。缩松等缺陷的存在使基体组织存在一定程度的不均匀性，在调质过程中产生组织应力和热应力，该缺陷存在会减小受力承载面积，应力会在缩松等缺陷处产生应力集中，破坏其连续性，导致钢的力学性能下降，促使产生淬火裂纹。

     从裂纹形貌和微观组织分析可知，试样中非金属夹杂物符合标准要求。裂纹两侧无脱碳现象，符合淬火裂纹的特征。心部1号试样横面裂纹附近处存在缩孔，纵面存在明显的组织偏析，组织偏析是由于在连铸过程中碳、硫、磷及合金元素等偏聚形成，造成偏析区相间部位微区成分不均匀; 在热处理过程中，成分偏析会导致膨胀系数和比容在相变前后相差较大; 并且带状组织偏析破坏基体的连续性，加之元素偏聚出现脆性，进一步降低了钢的性能。裂纹尾部试样存在贝氏体组织，相较于回火索氏体，贝氏体组织降低了材料的塑性，在心部冶金缺陷处产生裂纹后，在热处理过程中产生组织应力和淬火应力，促进裂纹的进一步扩展。

      从扫描电镜结果可知，裂纹内部氧化物在高温回火过程中形成，调质裂纹出现在试样的端部，进行淬火时，淬火介质会进入裂纹内部，在高温回火时裂纹内铁基体与水蒸汽反应形成氧化物。