汽車半軸法蘭盤內(nèi)端面開裂失效分析

金林奎，焦東風， 趙建國， 王春亮

汽車半軸是重要的傳動部件，使用過程中需要承受較大的交變載荷，半軸必須具備較高的強度和扭矩力。這就要求工件表層應(yīng)具有較高的強度，心部具有較高的韌性，才能滿足汽車半軸產(chǎn)品件在服役承載過程中的性能和要求。因此，選用40Cr中碳調(diào)質(zhì)鋼進行產(chǎn)品加工，并經(jīng)過整體調(diào)質(zhì)和中頻感應(yīng)淬火處理。

1. 問題描述

半軸產(chǎn)品的加工工藝流程為：圓鋼下料→法蘭盤鍛造→切削粗加工→調(diào)質(zhì)處理→切削精加工→中頻淬火處理→磨削加工→成品入庫。

18040B型汽車半軸調(diào)質(zhì)件，從公司半成品倉庫轉(zhuǎn)入金工車間進行生產(chǎn)加工。在機加工過程中，發(fā)現(xiàn)有部分產(chǎn)品開裂。開裂的部位在法蘭盤內(nèi)端面R部位，距法蘭外圓30mm處形成周向裂紋，裂紋長度100mm左右（見圖1、圖2）。該半軸的鍛件坯料屬庫存產(chǎn)品，由于前期生產(chǎn)量大，造成了部分半軸產(chǎn)品積壓，在半成品倉庫存放了3個月之久。

圖1 半軸失效件（實物）

圖2 半軸開裂部位（實物）

表1 原材料化學成分的檢查結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 原材料力學性能檢查結(jié)果

2. 試驗檢測

在生產(chǎn)加工記錄表中，追溯到該批產(chǎn)品的原材料入庫批次號，查找到原材料生產(chǎn)爐號，以及對應(yīng)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（見表1）。檢測設(shè)備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀，檢查結(jié)果表明化學成分符合材料標準要求。在原材料上截取標準樣棒，進行力學性能試驗（見表2）。試驗結(jié)果表明，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。

沿半軸開裂的垂直方向取樣，經(jīng)過預(yù)磨拋光后浸蝕，金相顯微鏡觀察，裂紋端部開口處，裂紋兩側(cè)有明顯的脫碳層，而且全脫碳層較深（見圖3）。裂紋中間部位，裂紋兩側(cè)的脫碳層更為嚴重，脫碳層深度達0.50mm，全脫碳層的鐵素體基體呈柱狀晶分布。這種呈柱狀晶組織的形成，是典型的高溫氧化脫碳轉(zhuǎn)變產(chǎn)物?？梢源_定，形成這種柱狀晶鐵素體基體脫碳層的裂紋，是在鍛造過程中產(chǎn)生的（見圖4）。

裂紋兩側(cè)的脫碳層沒有隨裂紋繼續(xù)向前延伸，而是呈橢圓狀包圍在裂紋兩側(cè)。在脫碳層消失的過渡區(qū)，裂紋首先沿45°角開裂，然后沿晶擴展。這種現(xiàn)象是由于鍛造裂紋后期的調(diào)質(zhì)處理淬火時，原始鍛造裂紋形成很高的淬火應(yīng)力集中，淬火裂紋開始處沿45°角的最大切應(yīng)力方向形成，然后沿晶繼續(xù)向前擴展（見圖5）。淬火裂紋的尾部尖銳，裂紋兩側(cè)無脫碳層，裂紋附近有晶間熔洞組織，這種晶間熔洞組織是低熔點硫化物熔融的孔洞。這是由于材料偏析帶來局部區(qū)域合金元素貧乏，特別是Mn元素低于正常范圍時，非金屬夾雜硫化物以FeS的形式存在，F(xiàn)eS的熔點在980℃左右，1000℃以上的鍛造溫度極易使其熔融成孔洞（見圖6）。

材料基體組織中非金屬夾雜物很多，整個視場布滿了各種形態(tài)的夾雜物。圖片顯示，淺灰色條狀組織屬于塑性硫化物夾雜；深灰色塊狀組織屬于略顯塑性的硅酸鹽夾雜物。非金屬夾雜物割斷了基體組織的連續(xù)性，使材料的強度和韌性顯著降低。鍛造過程中較高的塑性變形產(chǎn)生的應(yīng)力，極易沿夾雜物邊緣形成應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋。在鍛造的高溫高應(yīng)力作用下，晶間結(jié)合力急劇降低，由此形成鍛造開裂（見圖7、圖8）。

在淬火裂紋尾部的分叉部位，晶粒有整顆剝離的現(xiàn)象，開裂處可見沿晶界析出的淺灰色硫化物夾雜。表明鍛件加熱溫度偏高，硫化物夾雜形成固溶，鍛后緩冷過程中沿晶界析出。這種沿晶析出的非金屬夾雜物，顯著降低材料組織的晶間結(jié)合力，調(diào)質(zhì)淬火應(yīng)力使組織沿脆弱的晶界開裂（見圖9）。在裂紋附近明顯可見，非金屬夾雜物呈長條狀曲折狀分布，這是硫化物夾雜沿晶界析出的典型特征（見圖10）。

圖3所示，裂紋開口處兩側(cè)表面都有圓弧狀的凹坑，裂紋右側(cè)表面凹坑邊緣還出現(xiàn)圓弧狀二次裂紋，裂紋左側(cè)的脫碳層內(nèi)同樣存在次生的二次裂紋。進一步對試樣表面進行觀察，整個法蘭盤內(nèi)端面R部位表層，布滿了大小不等的圓弧狀的凹坑（見圖11）。有些部位的凹坑粗大且深，凹坑的底部斷續(xù)分布點狀的黑色孔洞，黑色孔洞已經(jīng)擴展成連續(xù)的二次裂紋。初步推測，這種圓弧狀的凹坑屬于非應(yīng)力狀態(tài)下的腐蝕坑。

3. 結(jié)論分析

汽車半軸法蘭盤內(nèi)端面的周向裂紋，屬于鍛造開裂的裂紋。裂紋產(chǎn)生的原因，是由于原材料非金屬夾雜物過多，材料組織的強度和韌性顯著降低，局部區(qū)域難以承受鍛造應(yīng)力，因而產(chǎn)生鍛造裂紋。

鍛造加熱溫度偏高，非金屬硫化物夾雜發(fā)生固溶，鍛后緩冷沿晶界析出形成曲折的條狀組織，使鍛件的強度進一步降低，脆性增大。調(diào)質(zhì)淬火的應(yīng)力集中，使鍛造裂紋繼續(xù)擴展，并沿析出的條狀硫化物邊緣開裂，甚至造成整顆晶粒剝離基體組織。

為了查實工件表層圓弧狀凹坑形成原因，對這批產(chǎn)品進行跟蹤調(diào)查。該半軸調(diào)質(zhì)件存放倉庫時間較長，整體產(chǎn)生銹蝕，對工件采用了酸洗的方式進行表面除銹。查閱倉庫生產(chǎn)記錄，該批產(chǎn)品在酸洗時突然停電，橋式起重機無法起動，倉庫人員隨后找來叉車將其吊出來，用自來水沖洗。由于在酸洗池浸泡時間過長，且清洗不干凈，工件表面腐蝕嚴重，最終形成圓弧狀的腐蝕坑，這種酸洗的腐蝕坑是在裂紋形成之后產(chǎn)生的。因此可以確定，法蘭盤內(nèi)端面的腐蝕坑與裂紋的產(chǎn)生沒有任何聯(lián)系。

圖11 酸洗腐蝕凹坑（100×）

圖12 酸洗腐蝕凹坑（100×）