K1300汽車半軸校直斷裂失效分析

1、K1300汽車半軸校直斷裂失效分析摘要:本文主要分析40Cr鋼汽車半軸件,該工件用于載重汽車的傳動部位,有很強的牽引力和扭矩力。工件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理及中頻淬火,在校直時發(fā)現(xiàn)桿部開裂。這批工件數(shù)量共有234只,除去這2根校直開裂件,其它工件都沒有問題。對兩只失效件中的其中一件進行金相分析,檢測結(jié)果表明,校直開裂的原因是工件在調(diào)質(zhì)處理的高溫回火后,水冷時間太短,引起高溫回火脆性1。關(guān)鍵詞:調(diào)質(zhì)處理中頻淬火回火脆性1 狀態(tài)說明(1) 工件材質(zhì)為40Cr中碳調(diào)質(zhì)鋼,工藝流程為:圓鋼下料兩端花鍵及法蘭鍛造高溫正火調(diào)質(zhì)熱處理壓床校直桿部及花鍵中頻感應(yīng)淬火油封磨削加工浸油包裝。(2) 正火處理工藝采用高溫臺車爐加

2、熱，920C保溫3h出爐風(fēng)冷。調(diào)質(zhì)處理工藝采用調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線加工,850C保溫2h,淬入5%聚乙稀醇淬火介質(zhì)，然后620C保溫2h出爐水冷。(3) 工件調(diào)質(zhì)處理及中頻感應(yīng)處理后,對熱處理變形件進行壓床校直,在校直過程中有兩只工件的桿部發(fā)生開裂現(xiàn)象。在垂直于裂紋的部位線切割截取樣塊,進行理化檢測分析。2 化學(xué)成分在樣塊上截取長15mnK寬15mnK厚10mm的試樣，進行化學(xué)成分檢測，檢測設(shè)備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀，檢查結(jié)果表明化學(xué)成分符合材料標準要求2?；瘜W(xué)成分的檢查結(jié)果（見表1）。3 金相檢驗（1）試樣經(jīng)過鑲嵌、預(yù)磨、拋光后,4%的硝酸酒精表面浸蝕,用1E-200M型金相顯微

3、鏡進行觀察。金相組織顯示裂紋垂直于工件表面裂紋深度為10mm左右,裂紋尾部與中頻淬火過渡區(qū)的白亮區(qū)交接,由此確定裂紋深度與工件表面淬硬層相當（見圖1）。（2）重新拋光未浸蝕觀察,試樣表面顯示出傾斜45°角的裂紋,傾斜裂紋的垂直深度為0.50mm（見圖2）。出現(xiàn)這種傾斜裂紋狀態(tài)特征有兩種可能性:第一種屬于疲勞裂紋的裂紋源區(qū),但是疲勞裂紋必須經(jīng)過較長時間,循環(huán)交變應(yīng)力的周期才能形成。第二種屬于拉伸和沖擊裂紋的瞬斷區(qū),是裂紋經(jīng)過纖維狀區(qū)、放射狀區(qū)后期瞬間斷裂的剪切唇。當然第一種斷裂形式是不可能形成的,如果屬于第二種斷裂狀態(tài)特征,那么裂紋的萌生必定從材料的內(nèi)層向表層開裂,工件內(nèi)層一定存在非常

4、嚴重的組織缺陷。金相觀察,裂紋的端部及中部顯示為穿晶裂紋,裂紋的尾部顯示為沿晶裂紋。我們推斷材料組織有可能出現(xiàn)了回火脆性。(3)將拋光的試樣采用回火脆性試劑浸蝕,對金相組織進行進一步的檢查。回火脆性試劑的配方是,10g苦味酸+100ml二甲苯+10ml乙醇。對回火脆性試劑浸蝕后的組織進行觀察,在淬硬層內(nèi),裂紋顯示為穿晶開裂的形貌特征。裂紋兩側(cè)及淬硬層內(nèi)其它部位,均未發(fā)現(xiàn)顯示回火脆性的黑色網(wǎng)狀組織,說明淬硬層內(nèi)沒有回火脆性。由于采用回火脆性試劑進行浸蝕,材料的帶狀組織顯得較明顯。特別說明,裂紋兩側(cè)的黑斑是用回火脆性試劑長時間浸蝕后,裂紋兩側(cè)腐蝕相對嚴重,在輕拋時浸蝕斑未完全去除。如果拋光時間較長

5、,就有可能看不到黑色網(wǎng)狀組織,所以只能保留裂紋兩側(cè)的黑斑。(見圖3)。在調(diào)質(zhì)基體組織內(nèi),裂紋顯示為沿晶開裂的形貌特征,裂紋兩側(cè)的黑色網(wǎng)狀組織明顯分布,由此說明材料基體組織內(nèi)有較嚴重的回火脆性(見圖4)。(4) 淬硬層內(nèi)顯示無黑色網(wǎng)狀組織,但帶狀組織分布較明顯。其原因是因為二次回火脆性是可逆的,工件經(jīng)過重新奧氏體化感應(yīng)淬火加熱,原有的回火脆性現(xiàn)象消除,回火脆性試劑也就顯示不出黑色網(wǎng)狀組織。圖片顯示材料的帶狀組織較嚴重(見圖5)。(5) 在感應(yīng)淬火過渡層以外的調(diào)質(zhì)基體組織中,有較明顯的黑色網(wǎng)狀組織,回火脆性較明顯。但組織的晶粒細小均勻,由此推斷調(diào)質(zhì)加熱溫度正常4。(見圖6)。試樣重新拋光,用4%的

6、硝酸酒精浸蝕后金相組織觀察,材料的帶狀組織較嚴重,在鐵素體旁存在較多量的塑性非金屬夾雜物5,經(jīng)組織鑒定為硫化物,硫化物夾雜在基體內(nèi)呈長條狀分布,分布方向與塊狀鐵素體拉長的方向一致?？梢娺@種特征的帶狀組織,是由于原材料夾雜物偏析,然后材料經(jīng)軋制加工形成的。這種帶狀組織通過一般的正火處理難以改善,只能通過擴散退火才能消除。這種缺陷組織對熱處理性能影響較大(見圖7、圖8)。4 結(jié)論分析(1) 工件校直開裂的主要原因是熱處理高溫回火脆性引起的。帶狀組織及非金屬夾雜物,進一步降低材料的強度和韌性。(2) 工件開裂的過程是在壓床校直時,在材料強度最薄弱的淬硬層過渡區(qū),首先形成裂紋源,然后向兩端擴展。向內(nèi)層

7、為沿晶擴展的形貌特征,由于內(nèi)層的校直應(yīng)力相對較小,于是沿晶擴展的深度較淺。向外層為穿晶擴展的形貌特征,擴展至表面0.50mm處,轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜45°角的瞬間斷裂剪切唇。回火脆性產(chǎn)生的原因,當時分析可能是由于調(diào)質(zhì)處理過程中,高溫回火后水冷時水溫過高,或者是出水速度過快,甚至沒有進行水冷。在回火后緩慢冷卻過程中,脆性低熔點夾雜物,如磷、砷、銻、錫等合金元素沿晶界析出,顯著降低材料的強度和韌性6(3) 在失效件檢測的同時,生產(chǎn)部門對這次熱處理事故進行調(diào)查。調(diào)查結(jié)果表明,調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線的操作工,為了趕下班時間,違反操作規(guī)程,在高溫回火后水冷時提前出料轉(zhuǎn)序,使工件回火后未能得到充分冷卻,因而使材料組織產(chǎn)生回火脆性。提前出料數(shù)量與校直開裂數(shù)量相等,事故發(fā)生的原因與檢查結(jié)果相同。參考文獻1 資格鑒定委員會金相檢驗M上海科普出版社,2003:44-45.2 資格鑒定委員會化學(xué)分析M上?？破粘霭嫔?2003:324-326.3 林際熙金屬力學(xué)性能M冶金工業(yè)出版社