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1、K1300 汽车半轴校直断裂失效分析摘要:本文主要分析 40Cr 钢汽车半轴件,该工件用于载重汽车的 传动部位,有很强的牵引力和扭矩力。工件经调质处理及中频淬火,在 校直时发现杆部开裂。这批工件数量共有 234 只,除去这 2 根校直开 裂件,其它工件都没有问题。对两只失效件中的其中一件进行金相分 析,检测结果表明 ,校直开裂的原因是工件在调质处理的高温回火后 , 水冷时间太短,引起高温回火脆性1。关键词:调质处理 中频淬火 回火脆性1 状态说明(1) 工件材质为 40Cr 中碳调质钢,工艺流程为:圆钢下料两端花 键及法兰锻造高温正火调质热处理压床校直杆部及花键中 频感应淬火油封磨削加工浸油包
2、装。(2) 正火处理工艺采用高温台车炉加热,920 C保温3 h出炉风冷。 调质处理工艺采用调质生产线加工,850 C保温2 h,淬入5%聚乙稀醇 淬火介质，然后620 C保温2 h出炉水冷。(3) 工件调质处理及中频感应处理后,对热处理变形件进行压床校 直,在校直过程中有两只工件的杆部发生开裂现象。在垂直于裂纹的 部位线切割截取样块,进行理化检测分析。2 化学成分在样块上截取长15 mmx宽15 mmx厚10 mm的试样，进行化学成 分检测,检测设备为 Labspark5000 精密直读火花光谱仪,检查结果表明 化学成分符合材料标准要求2。化学成分的检查结果（见表 1）。3 金相检验（1）试
3、样经过镶嵌、预磨、抛光后 ，4%的硝酸酒精表面浸蚀 ，用 1E-200M 型金相显微镜进行观察。金相组织显示裂纹垂直于工件表面， 裂纹深度为 10 mm 左右，裂纹尾部与中频淬火过渡区的白亮区交接， 由此确定裂纹深度与工件表面淬硬层相当（见图 1）。（2）重新抛光未浸蚀观察，试样表面显示出倾斜 45角的裂纹，倾斜 裂纹的垂直深度为0.50 mm（见图2）。出现这种倾斜裂纹状态特征有 两种可能性:第一种属于疲劳裂纹的裂纹源区，但是疲劳裂纹必须经过 较长时间，循环交变应力的周期才能形成。第二种属于拉伸和冲击裂 纹的瞬断区，是裂纹经过纤维状区、放射状区后期瞬间断裂的剪切唇3。当然第一种断裂形式是不可
4、能形成的，如果属于第二种断裂状态 特征，那么裂纹的萌生必定从材料的内层向表层开裂，工件内层一定存 在非常严重的组织缺陷。金相观察，裂纹的端部及中部显示为穿晶裂 纹，裂纹的尾部显示为沿晶裂纹。我们推断材料组织有可能出现了回 火脆性。(3)将抛光的试样采用回火脆性试剂浸蚀,对金相组织进行进一步 的检查。回火脆性试剂的配方是,10 g 苦味酸100 ml 二甲苯10 ml 乙醇。对回火脆性试剂浸蚀后的组织进行观察,在淬硬层内,裂纹显示 为穿晶开裂的形貌特征。裂纹两侧及淬硬层内其它部位 ,均未发现显 示回火脆性的黑色网状组织,说明淬硬层内没有回火脆性。由于采用 回火脆性试剂进行浸蚀,材料的带状组织显得
5、较明显。特别说明,裂纹 两侧的黑斑是用回火脆性试剂长时间浸蚀后,裂纹两侧腐蚀相对严重, 在轻抛时浸蚀斑未完全去除。如果抛光时间较长 ,就有可能看不到黑 色网状组织,所以只能保留裂纹两侧的黑斑。(见图 3)。在调质基体组 织内,裂纹显示为沿晶开裂的形貌特征,裂纹两侧的黑色网状组织明显 分布,由此说明材料基体组织内有较严重的回火脆性(见图 4)。(4) 淬硬层内显示无黑色网状组织,但带状组织分布较明显。其原 因是因为二次回火脆性是可逆的,工件经过重新奥氏体化感应淬火加 热,原有的回火脆性现象消除,回火脆性试剂也就显示不出黑色网状组 织。图片显示材料的带状组织较严重(见图 5)。(5) 在感应淬火过
6、渡层以外的调质基体组织中,有较明显的黑色网 状组织,回火脆性较明显。但组织的晶粒细小均匀,由此推断调质加热 温度正常4。(见图 6)。(6) 试样重新抛光,用 4%的硝酸酒精浸蚀后金相组织观察,材料的 带状组织较严重 ,在铁素体旁存在较多量的塑性非金属夹杂物 5,经 组织鉴定为硫化物,硫化物夹杂在基体内呈长条状分布,分布方向与块 状铁素体拉长的方向一致。可见这种特征的带状组织 ,是由于原材料 夹杂物偏析,然后材料经轧制加工形成的。这种带状组织通过一般的 正火处理难以改善,只能通过扩散退火才能消除。这种缺陷组织对热 处理性能影响较大(见图 7、图8)。4 结论分析(1)工件校直开裂的主要原因是热
7、处理高温回火脆性引起的。带 状组织及非金属夹杂物,进一步降低材料的强度和韧性。(2) 工件开裂的过程是在压床校直时,在材料强度最薄弱的淬硬层 过渡区,首先形成裂纹源,然后向两端扩展。向内层为沿晶扩展的形貌 特征,由于内层的校直应力相对较小,于是沿晶扩展的深度较浅。向外 层为穿晶扩展的形貌特征,扩展至表面 0.50 mm 处,转变为倾斜 45角 的瞬间断裂剪切唇。(3) 回火脆性产生的原因 ,当时分析可能是由于调质处理过程中 , 高温回火后水冷时水温过高 ,或者是出水速度过快 ,甚至没有进行水 冷。在回火后缓慢冷却过程中,脆性低熔点夹杂物,如磷、砷、锑、锡 等合金元素沿晶界析出,显著降低材料的强
8、度和韧性6。(4) 在失效件检测的同时,生产部门对这次热处理事故进行调查。 调查结果表明,调质生产线的操作工,为了赶下班时间,违反操作规程, 在高温回火后水冷时提前出料转序,使工件回火后未能得到充分冷却, 因而使材料组织产生回火脆性。提前出料数量与校直开裂数量相等 , 事故发生的原因与检查结果相同。参考文献1 资格鉴定委员会.金相检验M.上海科普出版 社,2003:44-45.2 资格鉴定委员会.化学分析M.上海科普出版 社,2003:324-326.3 林际熙.金属力学性能M.冶金工业出版社,1999:25-26.4 夏立芳金属热处理工艺学M 哈尔滨工业大学出版 社,2002:66-68.5 屠令海.金属材 料理化测试全书M.化学工业出版 社,2006:38-40.6 樊东黎.热处理工程师手册M.机械工业出版 社,2004:813-814.
