34CrNiMo6鋼最早隨著某艦船柴油發動機引進于德國，為低合金高強鋼，因其優良的綜合力學性能，廣泛用于制造發動機的凸輪軸及連桿等重要零件。某公司生產的發動機曲軸即由34CrNiMo6鋼制造，其主要生產流程為：原材料軋制方鋼→下料→鍛造→正火→高溫回火→斷口檢驗→調質處理(淬火+高溫回火)→機加工→裝配。為了保證曲軸零件的質量，避免鍛造過熱過燒的曲軸毛坯流入下道工序，造成產品質量下降或者產品不合格，給公司帶來不必要的經濟損失，特對34CrNiMo6鋼鍛造過熱過燒斷口進行分析研究，為判定鍛造內部質量提供可靠依據。

1 試驗方案

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

取樣位置如圖1所示。斷口試驗處理工藝：鍛造+正火。

力學性能試驗處理工藝：鍛造+正火→淬火+高溫回火。

2 試驗工藝

所選試驗工藝如表1。

3 試驗結果

3.1 按試驗工藝處理后的力學性能檢測結果和宏觀斷口形貌。

從表2中可以看到，4組樣品的拉伸試驗和沖擊試驗結果均在標準要求的范圍內。根據資料，非穩定過熱對靜載力學性能影響不大，而穩定過熱對塑性和韌性有較大影響，本試驗得到的穩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。對于過熱和過燒材料來說，熱處理狀態對力學性能的影響巨大。在調質狀態下，材料處于韌性狀態，對于非穩定過熱影響很小，對于穩定過熱和過燒來說要看其嚴重程度，本試驗中穩定過熱和過燒發生在局部斷口上，鋼的塑性和沖擊韌性值沒有明顯的降低。但是如果整個斷面都存在嚴重的穩定過熱或過燒，晶界弱化的后果就充分顯現出來，會極大降低鋼的力學性能，特別是沖擊韌性，這時只需很小的力就會使其沿晶界裂開。

3.2 宏觀斷口形貌特征

記錄了不同試驗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間的延長，斷口由細結晶狀變為粗結晶狀直至出現石狀。而加熱溫度的升高對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，無金屬光澤，屬正常斷口；2#斷口呈現銀亮色小刻面，但非常細小，屬于輕微過熱，經過淬火、高溫回火后，結晶狀斷口消除。3#斷口為粗結晶狀，經過淬火、高溫回火后，在斷口的個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結果來決定。4#斷口非常粗大為結晶狀和石狀的混合斷口，經過淬火、高溫回火后，仍保留了較為嚴重的石狀。

3.3 金相試驗結果

1#金相組織為均勻的回火索氏體，是正常的調質組織，組織不均勻，局部已經開始變的粗大，呈現出了織構特征 ,組織晶粒大小不一，出現了混晶，此時晶粒已開始迅速長大；4#組織很粗，已出現粗大的織構狀組織，晶粒度達到了0級甚至更粗，為嚴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，只有個別區域為淺韌窩，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，表現出了穩定過熱特征；4#斷口還出現了晶界熔化現象，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間過長而引起的奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗大的馬氏體組織，使零件變脆的現象，稱之為過熱。

過熱斷口宏觀特征主要表現為細結晶狀、粗結晶狀和石狀，當加熱溫度過高或高溫保溫時間過長時晶粒長大，首先產生細結晶狀斷口，隨著過熱的嚴重程度增加，則出現粗結晶狀斷口，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，當過熱程度繼續增加時，原奧氏體晶界嚴重粗化，高溫時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。當過熱不嚴重時，一般可以通過退火，正火，淬火等方法重新使晶粒細化，但過熱嚴重時，用熱處理的方法不能消除，這時對力學性能的影響主要表現為沖擊韌性的大幅度下降。

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

在斷口檢驗中，過熱的情況最為復雜，理論上可分為穩定過熱和非穩定過熱，穩定過熱晶界上會出現析出相，用熱處理方法不能消除；非穩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。穩定過熱較為復雜，有兩種情況，一種是由于析出相引起的穩定過熱，它的形成是因為高溫時固溶于奧氏體中的第二相(主要是MnS),在冷卻時沿奧氏體晶界析出，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，形成穩定過熱。其嚴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定過熱。但是如果在軋制或鍛造后形成粗大晶粒，冷卻時會在原奧氏體的大晶粒內形成許多小晶粒，但這些小晶粒的空間取向與大晶粒保持著一定的位向關系，在重新加熱時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小晶粒，這樣從形式上看晶粒得到了細化，而實質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。這時也形成了穩定過熱。材料過熱后，強度指標下降并不明顯，而對韌性指標則影響較為顯著。特別是在脆性狀態下，沖擊值會顯著降低，受到很小的作用力時就有可能發生斷裂，所以危害較大。

過燒是指加熱溫度過高時，晶界氧化、出現顯微空洞和開始部分熔化的現象。金屬材料的過燒，首先發生于晶界，這是由于晶界具有較高的動能，并且存在著大量的空位、位錯以及低熔點化合物和雜質元素的富集，使晶界熔點低，當材料加熱溫度過高、并在高溫段停留時間過長時，首先在晶界上出現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，嚴重時石狀分布于整個斷面，受力時表現為沿晶脆性斷裂。

根據晶界的特性得知，晶界本身存在著許多合金碳化物、空位以及雜質元素的富聚等，當晶界發生氧化、出現顯微孔洞和剛剛開始熔融時，用金相顯微鏡通常觀察到的是較粗的黑色晶界，這時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象，只有當過燒嚴重時，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，晶粒間結合力顯著下降，使材料的力學性能大幅度降低，特別是沖擊韌性的影響最為嚴重。因此，在生產中材料或零件出現過燒時無法通過熱處理的方法進行挽救，只能報廢處理。

試驗中2#出現的偽石狀斷口，其宏觀形貌類似石狀斷口。它與石狀斷口的主要區別是在原奧氏體晶界上沒有或僅有極少量的第二相質點析出。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，因此它是一種不穩定過熱特征。在個別部位析出的MnS可以看成是非金屬夾雜物，在數量少于非金屬夾雜物檢驗標準要求的數量范圍內，對產品的質量不會造不良影響。

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，表現出了穩定過熱特征。4#斷口還出現了晶界熔化現象，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、冷卻時沿原奧氏體晶界析出第二相質點；多數合金鋼析出的是硫化錳。上述試驗表明，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。經調質后獲得穩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。過熱不僅使晶粒長大，而且使那些分布在晶內的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小的MnS夾雜物。這種在固態下硫化物的分解和析出與液態向固態的結晶不同，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就會沿晶界裂開，形成石狀斷口。因此出現石狀斷口時零件必須予以報廢。

5 研究結果

通過對34CrNiMo6鋼鍛造過熱、過燒宏觀斷口、微觀斷口及力學性能的分析研究，提供了34CrNiMo6鋼過熱、過燒的斷口形貌、靜態力學性能、金相組織及其相關研究數據，確定了過熱過燒斷口界限的評判依據，為準確判定鍛件的內部質量提供了技術支持。