20Cr钢吊钩失效分析

郝策¹，王会强¹，陈晓梅¹，张淼¹

（1.河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071000）

摘要：针对20Cr钢吊钩断裂的情况做了实验分析，使用扫描电镜对断口进行了检测，确定断口具有准解理断裂特征；使用洛氏硬度计对断裂吊钩外表面及心部做了力学性能测试，得到其硬度的平均值分别为30.8、52.9HRC；使用直读光谱仪分别对吊钩外表面与心部做了化学成分检验；使用金相显微镜对断裂的起重吊钩的内部组织进行了检测，发现材料内部存在铁素体与羽毛状上贝氏体共存的复相缺陷组织。最后对实验结果进行了分析总结，找到20Cr钢吊钩断裂的原因。

关键词：20Cr钢，铁素体，上贝氏体，失效分析

中图分类号：TG157

Failure analysis of steel hook 20Cr

HAO Ce¹, WANG Huiqiang¹, CHEN Xiaomei¹, ZHANG Miao¹

(1. College of Mechanical and Electric Engineering , Hebei Agricultural university, Hebei Baoding 071000)

Abstract: According to the fracture of 20Cr steel hook, having made the experimental analysis. Detecting the fracture by scanning electron microscope, and confirming that the fracture had quasi cleavage fracture characteristics; Testing the mechanical properties of the external surface and the core of the broken hook with rockwell hardness tester, the mean values of hardness were 30.8 and 52.9HRC respectively; Testing the chemical composition of the outer surface and the center of the hook by direct reading spectrometer; Examining the inner structure of the broken lifting hook by metallographic microscope, and finding that there was a complex phase defect in which ferrite and feathery upper bainite co-existed; Finally, the experimental results were analyzed and summarized, and the reasons for the fracture of 20Cr steel hook were found.

Key words: 20Cr steel, hook, upper bainite, failure analysis

近年来，随着经济的高速发展，起重运输机械行业也迅速发展壮大，国家对起重运输机械的技术要求做出了详细且更为完善的国家标准，而起重吊钩是起重运输机械中至关重要的组成部分。起重吊钩是连接货物与起重机械的纽带，其力学性能直接影响作业环境的安全性与作业效率。保证起重吊钩力学性能安全可靠成为起重行业的重中之重，而某公司生产的一种20Cr钢起重吊钩在生命周期内很早时就出现断裂的情况，而且不只是个别吊钩断裂，而是批量性的断裂。20Cr钢有较高的强度及淬透性，淬透后韧性较差，无回火韧性，这种钢大多用于制造心部强度要求较高，表面耐磨性强的零件。20Cr钢的性能正适合吊钩的力学性能，而这批吊钩却出现了严重的失效的情况，针对该情况需要对这批断裂的吊钩进行全方面的检验分析。

1 材料分析与检验

一般情况下，起重吊钩要有足够的屈服强度与韧性，除此之外还要有一定的延伸率和断面收缩率。这些力学性能的本质其实是对材料内部组织结构的反应，弄清了材料内部组织结构也就找到了其失效的根本原因。该断裂的吊钩热处理工艺要求如下：加热到880℃→保温110min→水冷淬火→加热到340℃保温95min→空冷。淬火的目的是增强材料的强度，但淬火后脆性较高，需要进行回火处理增加韧性。断裂的吊钩如图1所示。

图1 断裂吊钩

Fig.1 Broken hook

1.1 断口检测

在吊钩断裂处截取断口试样，将试样浸入酒精中然后放入超声波清洗仪清洗试样，断口的检测采用捷克TESCAN VEGA3 LMH扫描电镜，检测结果如图2中（a）、(b)、(c)、(d)所示。

图2 电镜检测结果

Fig.2 Results of electron microscopy

从图2（a）可以看出,在宏观上无明显的塑性变形且断口平整，色泽较暗，具有脆性断裂特征^[1]；从图2(b)、（c)、（d）可看到其断口微观形貌有河流花样、舌状花样,存在韧窝与撕裂棱等,该断口属于准解理断裂特征^[2]，是解理断裂与延性断裂之间的一种过渡断裂形式。

1.2 力学性能测试

分别在断口附近的外表面及心部截取试样检测硬度，硬度测试的仪器选用莱州华银试验仪器有限公司的HR-150A型洛氏硬度计。外表面硬度测量结果如表1所示，心部硬度值测量结果如表2所示。吊钩外表面的硬度与心部硬度有明显差异，外表面的硬度明显高于心部的硬度。

表1 外表面硬度

Tab.1 Surface hardness

表2 心部硬度

Tab.2 Internal hardness

1.3 化学成分检验

分别在断口附近的外表面及心部截取试样进行化学成分检测，测试仪器选用德国Bruker-Q4170 直读光谱仪。国家标准规定的20Cr钢各元素含量如表3所示，外表面成分测定结果如表4所示，心部成分测定结果如表5所示。

表3 20Cr钢化学成分标准

Tab.3 Toughening composition standard for 20Cr steel

表4 外表面化学成分

Tab.4 Chemical composition of external surface

表5 心部化学成分

Tab.5 Chemical components of the heart

通过表4与表5对比吊钩外表面与心部的化学成分可知，心部化学成分完全符合标准，除了碳元素的含量明显高于心部，外表面的化学元素的含量与心部基本相同且都符合标准。

1.4 显微组织检验

在断口附近截取试样，用XQ-2B型号的金相镶嵌机镶嵌试样，镶嵌完毕后对试样抛光打磨，仪器选用DMP-3型金相研磨抛光机，然后将试样腐蚀，腐蚀剂使用4%HNO₃酒精溶液，腐蚀后用德国LeicaDM4000M 型显微镜观察，观察结果如图3中（e）、（f）、（g）、(h)、(i)、(j)所示。

图3 金相显微组织

Fig.3 Metallographic microstructure

通过图3可以清楚的看到，心部组织为网状的铁素体以及羽毛状的上贝氏体共存的复相组织，一般该组织的硬度为29HRC。贝氏体组织其实是贝氏体铁素体( BF) 、碳化物、残余奥氏体、马氏体等相构成一个复杂的整合组织^[3]，贝氏体转变是处于高温珠光体转变和低温马氏体转变之间的中温温度区间的转变。终冷温度与冷却方式对贝氏体的组织形态有很大影响，等温冷却会获得单一的形态的贝氏体，连续冷却会获得相当复杂组织形态的贝氏体。在观察到的显微组织中没有发现淬火回火组织。

2实验结果分析

该20Cr钢吊钩的心部的化学成分符合国家标准，但外表面的碳含量明显高于国家标准所规定的值，显然，零件表面做了渗碳处理。外表面的硬度均值达到了52.9HRC，在工业生产上现有的热处理工艺中只有淬火处理工艺能够达到如此高的硬度，而心部的硬度才30.8HRC并且在心部无淬火回火组织，由此可知只对零件表面进行了淬火处理。

吊钩的断口具有明显的脆性断裂特征，但其断裂特征又介于解理断裂与延性断裂之间，这说明该吊钩的心部材料组织主要表现为脆性，但也具有一定的韧性，这与金相组织中的铁素体和羽毛状上贝氏体有关。铁素体主要以网状铁素体的形式存在。淬火冷却时冷却速度过于缓慢，铁素体就会有足够的时间与机会沿着原奥氏体晶界析出，形成条状或网状的析出铁素体。在对零件表面淬火完毕后就停止了对零件的冷却，此时零件内部的冷却速度非常缓慢，导致了铁素体的析出。铁素体相的存在降低了材料的整体硬度和强度，并且网状铁素体会增加材料的脆性。网状铁素体的存在是导致零件产生脆性断裂特征的原因之一。

在长时间缓慢冷却过程中发生了贝氏体相变并析出了上贝氏体，上贝氏体是过饱和针状铁素体与夹于其间的断续条状渗碳体组成的混合物，典型特征为羽毛状。上贝氏体组织强度低、塑性差、脆性大，属于缺陷组织。其之所以表现出脆性是因为脆性的碳化物颗粒呈断续条状分布于铁素体之间，构成脆性通道。上贝氏体不仅降低了材料的强度、冲击韧度等性能，也降低了材料的使用寿命，这也是此次产生脆性断裂的重要原因。

3 结论

(1) 吊钩表面做了渗碳处理并且进行了淬火处理，表面硬度达到了52.9HRC。对表面做渗碳和淬火处理其目的是提高吊钩表面的耐磨性以及冲击韧度。

(2) 吊钩内部组织为网状铁素体和羽毛状的上贝氏体。铁素体和上贝氏体的存在使得材料的塑性降低，脆性增大，大大降低了材料的强度和冲击韧度，从而使吊钩的力学性能远远不能满足工作的要求，最终出现断裂的情况。

参考文献

[1] 戴丽娟.金相分析基础[M].北京：化学工业出版社，20157:9-100.

[2] 师昌绪,钟群鹏,李成功.材料工程基础要览[M].北京：化学工业出版社,2009:487-489.

[3] 朱祖昌,杨弋涛,齐兴,曹静. 复杂贝氏体组织和性能的定量关系研究(一).热处理技术与装备[J],2017,38(3):65-70.

[4] 李龙,苏光,李晓滨.低碳铁素体贝氏体复相钢的组织特征及强韧性[J].热加工工艺，2017,46（15）：74-78.

[5] 李炯辉.金属材料金相图谱[M].北京：机械工业出版社，2006:437-439.

[6] 尚成嘉,杨善武,王学敏,等.低碳贝氏体钢的组织类型及其对性能的影响[J].钢铁，2005,40（4）：58-61.

[7] 焦丽,国亮,向阳,等.亚共析钢中的组织缺陷[J].热处理,2017,32(1):11-16.

[8] 刘宗昌,计云萍,任慧平. 钢中贝氏体组织形态和亚结构(一)[J].热处理技术与装备，2016,37（3）：1-7.

[9] 刘润林. GB/ T 10051.1—2010《起重吊钩第 1 部分：力学性能、起重量、应力及材料》 介绍[J].机械工业标准化与质量，2011,459:23-26.

[10] 王宇,马庆超,尹维,经昊达.变速箱高速齿轮断齿失效分析[J].研究与开发，2018,02:34-37.

[11] 刘敏,黄海娥,王俊霖,张萍. 天车吊钩断裂失效分析[J].武钢技术，2013,51(4):36-39.

[12] 王灿,马国,张冬梅.工程机械减速机齿轮失效分析[J].热加工工艺，2017,46(20):254-256.