2Cr13鋼屬于馬氏體不銹鋼，淬火后經高溫回火處理，該鋼具有良好的抗弱腐蝕介質能力和綜合力學性能，因而被廣泛應用于航空、航天以及船舶等各領域，其中也應用于航天緊固件產品。開槽圓柱頭螺栓，材料牌號為2Cr13，在成檢前發現5件桿部存在軸向裂紋，此批螺栓共計366件，現對其中1件開裂螺栓進行原因分析。該批零件由規格為φ20mm的2Cr13棒材加工制造，其生產工藝流程為：車→銑→鉗→熱處理→磨→滾絲→清洗→表面處理→試驗→成檢。
1.試驗過程與結果
（1）宏觀檢查 開槽圓柱頭螺栓開裂宏觀形貌如圖1所示，可見螺栓表面裂紋沿軸向分布，較平直，裂紋從頭部臺階處到螺紋端頭，總長約35.1mm，肉眼觀察，裂紋深度較淺，螺栓外表面未見明顯機械損傷。
圖1 開槽圓柱頭螺栓開裂宏觀形貌
（2）金相檢查
由于螺栓較長，分段截取進行鑲嵌試樣。截取開裂螺栓桿部縱截面、橫截面進行金相檢查，宏觀形貌如圖2所示。根據GB/T10561試驗方法，對開裂螺栓桿部縱截面進行非金屬夾雜評級，A類0.5級，B類2級，C類0級，D類0級，DS0級。經4 %硝酸酒精水溶液腐蝕后，螺栓頭部發現尺寸約（長4.9mm×寬0.6mm）的條帶區域（見圖2），沿軸向分布，內部為晶粒清晰的等軸晶（見圖3），明顯區別于基體，且對應于開裂位置的延伸線。橫向截取開裂螺栓螺紋處腐蝕后，開裂位置未見脫碳現象（見圖4），條帶區深約0.3mm?；w組織為回火索氏體組織（見圖5）。
圖2 開裂螺栓桿部截面宏觀形貌
圖3 開裂螺栓縱截面形貌
圖4 開裂螺栓橫截面形貌
圖5 螺栓正常位置組織
（3）能譜分析
分別對圖3中基體和條帶區域進行能譜成分分析（EDS），表1為兩區域能譜成分的半定量分析數據。
表1 螺栓基體及條帶區域能譜成分（重量百分比）結果（%）
位置 | Fe | Cr | Mn | Si | C |
基體 | 84.27 | 13.70 | 0.50 | 0.34 | 1.19 |
條帶區域 | 97.05 | 1.29 | 0.47 | 0.10 | 1.09 |
可以看出，基體主要成分為Fe（84.27%）、Cr（13.70%）、Si等元素，主要成分符合Cr13型不銹鋼要求。條帶區域主要成分為Fe（97.05%）、Cr（1.29%）、Si等元素，但Fe、Cr元素明顯區別于基體成分。
（4）硬度測試
分別對異常條帶區域及基體進行顯微硬度測試，測試結果如表2所示。螺栓硬度滿足設計要求（26～28.5HRC），偏下限，條帶區域的硬度明顯偏低。
表2 顯微硬度測試結果
測試點 | 維氏硬度HV0.2 | 換算為HRC | ||||
1點 | 2點 | 3點 | 4點 | 5點 | ||
條帶區域 | 95 | 93 | 95 | 98 | 85 | — |
基體 | 260 | 258 | 260 | 259 | 258 | 26.0 |
2.開裂原因分析
對螺栓橫、縱截面金相檢查表明，開裂位置存在沿軸向分布條帶缺陷。對條帶缺陷及正常位置進行能譜成分分析，結果表明條帶缺陷區域能譜成分明顯區別于基體成分。雖然能譜分析誤差較大，通常適用于定性分析，不適合精確的定量分析，但已能夠說明問題。從顯微硬度結果表明條帶區域硬度明顯低于基體，從而說明兩者存在明顯區別。從金相組織看缺陷部位的組織與基體組織明顯不同，正常基體為回火索氏體組織，而缺陷位置組織為等軸晶，且具有金屬特征。條帶異常區域周圍未見脫碳現象，未見非金屬夾雜聚集現象，故綜合分析認為條帶區域是異金屬夾雜。
經了解，此原材料棒材為電渣鋼，在冶煉過程中合金料未完全熔化，或者不慎混入其他未熔化金屬均有可能形成異金屬夾雜，微觀上表現為異金屬部位組織與基體組織有明顯的界線，且自身的硬度與基體的硬度存在明顯差異。綜合分析認為此缺陷應是材料電渣熔煉過程中有異金屬混入所致。由于該缺陷沿軸向分布，破壞了螺栓整體組織的完整性，降低了金屬的塑性和強度，且位于零件表面，在后續機加工過程中因強度不足造成表面開裂。
3.結語
通過以上分析得出，原材料異金屬夾雜導致開槽圓柱頭螺栓在機加過程中開裂；對于本批已生產的零件：螺栓表面開裂的直接剔除，其余螺栓建議采用X射線等無損檢測手段進行挑選；而對于車間剩余未加工的建議加嚴原材料檢測，進而確定能否使用。為了盡可能降低此批原材料中的異金屬夾雜，應該從冶煉抓起，建議聯系廠家，提高冶煉技術，保障供應合格的原材料。
作者：徐宋娟，洪媛媛，馬芳，顏明禮，馬方園
單位：首都航天機械公司計量理化所國家國防重點實驗室
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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