某厂生产的一批钢阀杆中，由于在受力时发生断裂。该批钢阀杆材料为42OM0钢,外形尺寸为 <f)6 mm x 10 mm,热处理工艺为（850 ±10) ℃ x 6 h 调质处理,(560 ±10) ℃ x4 h表面氮化，500℃ x2 h 回火。热处理技术要求:钢阀杆的表面硬度650 ~ 700HV，心部硬度名500 HV，渗层深度0. 25 ~ 0.30 mm。为了了解钢阀断裂失效的原因，采用金相显微镜分析钢阀杆内径表层及心部的组织特征，用显微硬度计测定试样渗层深度和硬度梯度分布，从组织结构和基体与渗碳层界面分析失效原因。

       断裂钢阀杆的断裂位置在阀杆内径受挤压力作用后，内径表面产生裂纹,并在外力的作用下，延伸至阀杆外表层,最后阀杆发生断裂。

显微组织分析

对零件断裂部位取样进行金相显微组织分析，用4%硝酸酒精溶液侵蚀试样。42CrMo钢阀杆渗氮回火后的显微组织,是未热处理的原始材料的基体组织为铁素体，是钢阀杆的心部组织为回火索氏体，钢阀杆内径表面渗氮层组织，可以明显看出，在渗氮层与基体之间存在明显的脱氮层，这是引起该区域出现应力集中，从而导致裂纹源出现的主要原因。

硬度分析

       用显微硬度计测定了42CrMo钢阀杆硬度梯度分布情况,试验所用载荷为100 g，时间为15 s。，钢阀杆内径表面硬度为756.1 HV，与技术要求相比，硬度偏高;但从距离内径表面0.10 mm处开始，随着深度的增加，硬度下降很快，表现为硬度梯度较陡;在过渡层硬度为565.3 HV处时，所对应 的渗层深度不到0. 20 mm，低于技术要求的0. 25 ~0.3 mm;延伸至心部0.4 mm处的硬度为282 HV。 渗氮层浅、软氮化硬度偏低和硬度梯度过陡,从而导致钢阀杆过渡层强度偏低。此外，从硬度梯度分布曲线也可以看出，渗层深度也没有满足该钢阀杆的技术要求。

断裂失效原因分析及讨论

       显微组织表明，钢阀杆内径表面渗碳层存在较大的马氏体,回火后硬度仍很高,达到756 HV，这 是由于粹火马氏体回火转变不充分所致。过渡层中存在大量贝氏体和低碳马氏体组织,造成贝氏体和低碳马氏体组织出现的原因是碳含量和渗氮深度不够。在距表面0.08-0. 12 nun的区域内，硬度下降很快，导致阀杆有效硬化层深度不足0.20 mm，同时硬度梯度陡，说明钢阀杆内径由表及内碳浓度变化过大。这是由于钢阀杆渗氮前热处理工艺不当，引起阀杆内径表面碳流失。据了解，该厂之前采 用的技术要求未针对钢阀杆内径进行特殊处理。因 此造成钢阀杆在调质过程中，由于内径小，保护气氛在内径流动性不足，使得高温调质过程中，阀杆内径 表面出现氧化脱碳现象,从而导致钢阀杆渗氮后，显微硬度从表到里差异大。

       由于42CrMo钢阀杆使用时倒角部位承受较大的挤压力,造成阀杆在内径接触面和过渡区出现应力集中。在外力作用下，阀杆内径强度偏低的过渡层和心部组织难以承受较大的接触应力，发生塑性变形。随着塑性变形的反复进行，外加应力超过了阀杆的强度极限，在强度较低的脱碳层薄弱处，形成了沿铁素体分布的微裂纹。此外，由于过渡层强度偏低，导致材料抵抗裂纹扩展的阻力降低，于是裂纹在外加应力反复作用下，逐渐从钢阀杆内径表层向过渡层扩展，造成钢阀杆表面硬化层的塌陷、凹坑和剥落，最终发生断裂失效。

阀杆断裂的最主要原因是内径表面氧化脱碳和应力集中，必须从这两个方面对阀杆的结构和热处理工艺进行改进。

(1) 阀杆结构设计存在缺陷，应在不影响阀杆运行状况下增大阀杆内径直径。

(2) 钢阀杆受到过载，在钢阀杆接触面和过渡区出现应力集中。在表面组织粗大，硬化层较浅，硬度梯度较陡的情况下，易造成过渡层局部应力超过钢阀杆强度，在薄弱处形成裂纹并扩展，最终导致断裂失效。故此，因尽量避免阀杆各部位出现尖角，并降低各部位表面粗糙度，改善整个阀杆的应力集中状况，并保证阀杆运行时足够润滑，接触良好，尽量减少冲击和过载的发生。

(3) 阀杆在调质过程中,通过搅拌或风扇装置，提高保护气体的流动性，尤其提高阀杆内经畅通的保护措施，检查内径是否存在杂物或堵塞现象，避免气体流动不足而引起的氧化脱碳、渗氮层硬度和深度不足

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