汽車40Cr鋼半軸斷裂,查!
汽車半軸是重要的傳動部件,使用過程中承受較大的交變載荷,半軸必須具備較高的強度和抗扭能力,要求工件表層應具有較高的強度,心部具有較高的韌性,因此半軸的材料必須達到應有的強度和韌性,才能滿足使用過程中的性能和要求。
一、斷裂概述
我公司的原材料均是由定點廠家供貨,由于有一段時間生產量大,定點廠家供貨不及時。為了滿足生產需求,從市場上購進一批直徑40mm的40Cr圓鋼,進貨檢驗化學成分及力學性能也在標準要求范圍內。按工藝流程投入到機加工車間正常生產,在車總長、鉆中心孔時操作工發現,16019FT半軸桿部中段有約100mm的表面折疊,且嚴重失圓。操作工將該工件挑選出來放到地上,半軸立即斷為兩截(見圖1)。對斷裂件宏觀觀察,斷口截面90%的面積氧化嚴重,只有約10%的面積為新斷口。該半軸桿部未進行任何加工處理,可以判定原材料已存在裂紋(見圖2)。
圖1 半軸斷裂部位(實物)
圖2 半軸斷裂截面(實物)
二、試驗檢測
在生產加工記錄表中,追溯到該批產品的原材料入庫批次號,查找到原材料生產爐號,以及對應的材料牌號和圓鋼直徑。從該批原材料上截取樣塊,再次進行理化檢測。截取原材料樣塊尺寸為25mm×25mm×15mm,進行化學成分檢測,檢測設備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀,檢查結果(見表1)表明化學成分符合材料標準要求。
表1 原材料化學成分(質量分數) (%)
在原材料上截取標準樣棒,進行力學性能試驗。試驗結果(見表2)表明,原材料的力學性能符合材料標準要求,但實測值大多在標準范圍的下限。
表2 原材料力學性能
沿半軸斷裂面垂直方向取樣,經過磨制拋光浸蝕后,發現試樣上有很多縱向分布的細條紋,表明原材料軋制形成的帶狀組織較嚴重,在斷口截面半徑1/2處尤為明顯。目測試樣左側表層有少量的白亮層,這種現象屬于正常的表面脫碳層;試樣右側有約2mm厚的灰色及白色異常組織,該處的外表面剛好對應于半軸折疊及失圓部位(見圖3)。
圖3 半軸斷裂樣塊(實物)
進一步對折疊及失圓部位異常組織進行金相檢驗。檢測結果,第一層即最表層為氧化物夾渣層,并有大量裂紋、疏松、孔洞及晶間熔洞(見圖4);
圖4 氧化物夾渣層(100×)
第二層為變形程度很大的氧化物與基體混合層,隱約可見孔洞及晶間熔洞(見圖5);第三層為氧化物與基體分界的過渡層,上部分是氧化物與基體混合層,下部分是受熱影響的正火細化組織區(見圖6);
圖5 氧化物與基體混合層(100×) 圖6 氧化物與正火細化區(100×)
第四層為正火區與原始組織的過渡層,上部分是正火細化組織的熱影響區,下部分是原材料軋制空冷組織區(見圖7)。將正火細化區組織放大,可見明顯的過燒晶間熔洞組織(見圖8)。
圖7 正火細化區與心部組織(100×) 圖8 正火區晶間熔洞(100×)
由上可知,該折疊失圓部位經過了二次加熱,而且加熱溫度很高,應該在1300℃以上。只有超過這個溫度,才能使表層形成過熱過燒組織。高溫加熱后經過局部壓力加工,表層及次表層形成變形程度很大的纖維狀混合組織。試樣左側表層的白亮層為半脫碳層,深度為0.30mm,屬于正常的原材料軋制表面組織(見圖9)。在脫碳層的表面,局部出現變形程度很大的纖維狀組織,這是由于壓力加工使該部位受力變形造成的,因為脫碳部位的韌性較好易變形(見圖10)。
圖9 工件表面脫碳層(100×) 圖10 脫碳層內變形組織(100×)
半軸斷裂的斷口處,為曲折不平的沿晶開裂特征,斷口附近可見較多沿晶開裂的二次裂紋(見圖11)。有些部位晶粒脫落坑的尺寸很大,晶粒直徑達0.35～0.35mm。根據國家標準《GB/T6394—2002金屬平均晶粒度測量方法》進行評定,對應的晶粒度等級達0～1級,屬于嚴重過熱的粗大組織晶粒(見圖12)。
圖11 斷口二次裂紋(100×) 圖12 粗大晶粒脫落坑(100×)
沿帶狀組織分布的淺灰色條狀夾雜物,為低熔點硫化物夾雜(見圖13、圖14)。在總長2mm的帶狀組織條帶間,斷續分布4條非金屬夾雜物,夾雜物長度分別為0.25mm、0.35mm、0.30mm、0.45mm,夾雜物總長達1.35mm。最長單顆非金屬夾雜物面積為0.45mm×0.05mm=0.0225mm2。根據國家標準《GB/T10561—2005鋼中非金屬夾雜物含量的測定》進行評定,超過標準要求允許的2級粗系硫化物面積(0.436mm×0.012mm=0.0052mm2)的4.33倍;超過單個視場中非金屬夾雜物總面積(1.35mm×0.05mm=0.0675mm2)的12.96倍。
圖13 帶狀組織夾雜物(100×) 圖14 帶狀組織夾雜物(100×)
圖3右側部位的斷口處,斷裂面仍然呈現曲折不平的脆性開裂,斷口附近有大量的疏松和孔洞(見圖15)。在斷口附近的基體組織中,同樣可見較嚴重的黑點狀疏松及大塊狀黑色孔洞(見圖16)。疏松及孔洞的存在,表明原材料在鑄造過程中已經存在組織缺陷。
圖15 斷口疏松及孔洞(100×) 圖16 基體疏松及孔洞(100×)
三、結論分析
由于材料組織中非金屬夾雜物嚴重超標,以及存在疏松、孔洞等鑄造缺陷,而且原材料軋制時加熱溫度過高,使組織中出現過燒特征的晶間熔洞。晶界處及帶狀組織條帶間,低熔點的夾雜物已經熔融,材料組織的晶間結合力急劇降低,從而產生鍛造開裂。金相檢測結果表明,原材料在軋制時已經產生很大的裂紋。鋼廠在發現軋制裂紋后,沒有及時進行隔離和處理,而是想辦法掩蓋。在軋制的原材料裂紋附近進行高溫加熱,然后局部壓力加工,使軋制的裂紋表面焊合起來。這種隱瞞不合格的不當行為,給材料使用廠家帶來極大的隱患。質量反饋后,原材料生產廠家事故調查結果,進一步證實結論分析的推斷。通過這次理化檢測和分析結果,希望原材料生產廠家重視產品質量,同時也要求用戶加強原材料進貨檢驗,防止該類事件再次發生。
作者:金林奎
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