冲击钻钻头早期疲劳断裂分析

柄与颈部交界R角处表面存在较深的加工痕迹及钻头硬度偏高等。关键词：40Cr钢；冲击钻头；疲劳断裂；热轧中图分类号：TG115.5?7； TG115. 21四槽圆柄

断裂位置 钻头颈部 硬质合金引言四槽圆柄冲击钻头采用40Cr钢热轧盘条制造，

图1断裂钻头宏观形貌其工序为：①12 mm盘条原材料酸洗\"磷化\"拉拔 一道至①10 mm\"加工钻头\"盐浴淬火\"回火\"焊

接硬质合金，钻头淬、回火后硬度要求为40-50 HRC。近期有一批钻头在出厂前进行破坏性试验

时，有多支钻头出现早期断裂现象。本文采用断口 形貌分析、化学成分分析、金相检验等方法，对钻头 断裂原因进行了分析。1理化检验1.1宏观断口分析图2断裂钻头断口具有疲劳断裂特征钻头断裂及断口宏观形貌如图12所示，多支 断裂钻头的断裂均发生在钻柄与颈部交界R角处， 该部位正好为钻头直径尺寸的交变处，断口上存在

越直线的运动更快，通常尖锐的缺口会产生此种形 貌⑵。最后瞬时断裂区面积约占整个断面的40%。1.2 微观断口形貌分析较多锈斑,断口较为平齐，断面与钻头轴线相垂直； 在多支断裂钻头的钻柄与颈部交界R角处表面均

经扫描电镜观察，疲劳源区比较平整，这是由于 裂纹萌生初期断裂面相互挤压摩擦而导致的；在疲

发现存在大量较深的车削加工刀痕，刀痕排列均匀，

断裂面基本上沿刀痕扩展。将断口清洗后观察发 现，断裂钻头断口具有疲劳断裂的特征，断口分3个 区域:疲劳源区、疲劳扩展区及最后瞬时断裂区；多

劳源处断面上未发现异常冶金缺陷，但清晰可见钻

头R角处表面存在较深的加工刀痕,疲劳裂纹源在 刀痕沟槽谷底处形成并扩展；疲劳扩展区贝纹线形 貌清晰;最后瞬时断裂区微观形貌为撕裂韧窝，如图

处裂纹从表面刀痕起开裂，显示明显的多源疲劳断

裂特征;疲劳扩展区呈现明显的贝纹线形貌，贝纹 线大致呈反向圆弧状；表明裂纹沿圆周的运动比跨3-6所示。收稿日期：2019-07-11作者简介：徐和平（（970-），男，工程师16现代冶金第47卷图9断裂钻头断口疲劳源处形貌图5疲劳裂纹扩展区形貌图4清晰可见疲劳裂纹起源于R处表面的加工

图6最后瞬时断裂区形貌痕迹（图中箭头所指为疲劳源）!3化学成分分析型直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所 示，可知钻头的化学成分符合GB/T3077-2015 +合

在断裂钻头上取样，使用德国超谱公司QSN750!（C）金结构钢》标准对40Cr钢的成分要求。表1断裂钻头的化学成分/%!（Si）0. 220. 17-0. 37w（Mn）0. 610. 50-0. 80!（P）0. 014#0. 030!（S）0. 007#0. 030w（Cr）0. 820. 80-1. 10!（Ni）0. 01#0.30!（Cu ）0. 01实测值标准值0. 400. 37-0. 44#0.30金相检验在断裂钻头上取样进行金相检验，其金相组织

1.5硬度测试对断裂钻头进行硬度测试，结果如表2所示。

为回火马氏体，未发现异常组织，如图7所示。该钻头硬度技术要求为40-50 HRC,可见断裂钻头 的硬度实测值已超过技术要求的上限。表2硬度测试结果测试工件显微硬度/HV1568 ，557 ，562换算HRC53.0断裂钻头平均：5622分析与讨论断裂钻头的化学成分符合GB/T3077-2015 +合

金结构钢》标准对40Cr钢的成分要求，基体金相组

图7断裂钻头基体金相组织织无明显异常，但断裂钻头的硬度实测值已超过技

第6期徐和平，等:冲击钻钻头早期疲劳断裂分析17术要求的上限。断裂钻头的断裂类型为早期疲劳断裂，断裂位

3结束语(1) 该批次冲击钻钻头断裂属于多源疲劳断裂,

置均在钻柄与颈部交界R角处，该部位正好为钻头 的变截面过渡园角，是钻头应力集中最为严重区域,

在钻头使用过程中，容易在这些区域发生疲劳破坏。 大量试验表明，承受交变载荷的零件的表面加工质 量对零件的疲劳寿命有很大影响，而断裂钻头在 钻柄与颈部交界R角处表面存在大量较深的车削

疲劳源位于钻柄与颈部交界R角处。(2) 造成钻头断裂的原因是:钻头钻柄与颈部交 界R角处表面大量较深的车削加工刀痕，在工作载 荷的作用下使刀痕根部形成应力集中，萌生了裂纹

源并扩展；同时因该钻头热处理后硬度偏高而脆性

加工刀痕，导致应力集中因素加剧，大大降低了钻头

的抗疲劳性能。该钻头热处理为整支淬回火处理，要求硬度为 4050 HRC,使钻头获得良好的强韧性。但断裂钻

头的硬度超过技术要求的上限达到53HRC，使钻头 的脆性增大，对其使用寿命有一定影响。由于该冲击头在破坏性试验时，承受着较大的

交变载荷,特别当被钻物体卡夹钻头时，则钻头将受

到扭转力增大，由于在钻头钻柄与颈部交界R角处 表面存在较深的加工痕迹，该部位又处钻头变截面 过渡圆角，易产生应力集中，使其萌生沿较深的车削

加工刀痕的线状疲劳源，加上钻头硬度偏高使其脆 性增大，最终导致钻头产生早期疲劳断裂。增大，最终导致钻头产生早期疲劳断裂。(3) 应严格按照技术要求进行制造，控制表面加 工及热处理质量。参考文献：［1］

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