汽車40Cr鋼半軸斷裂,查!
汽車半軸是重要的傳動(dòng)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(qiáng)度和抗扭能力,要求工件表層應(yīng)具有較高的強(qiáng)度,心部具有較高的韌性,因此半軸的材料必須達(dá)到應(yīng)有的強(qiáng)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(diǎn)廠家供貨,由于有一段時(shí)間生產(chǎn)量大,定點(diǎn)廠家供貨不及時(shí)。為了滿足生產(chǎn)需求,從市場(chǎng)上購進(jìn)一批直徑40mm的40Cr圓鋼,進(jìn)貨檢驗(yàn)化學(xué)成分及力學(xué)性能也在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。按工藝流程投入到機(jī)加工車間正常生產(chǎn),在車總長(zhǎng)、鉆中心孔時(shí)操作工發(fā)現(xiàn),16019FT半軸桿部中段有約100mm的表面折疊,且嚴(yán)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(duì)斷裂件宏觀觀察,斷口截面90%的面積氧化嚴(yán)重,只有約10%的面積為新斷口。該半軸桿部未進(jìn)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(shí)物)
圖2 半軸斷裂截面(實(shí)物)
二、試驗(yàn)檢測(cè)
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(hào),查找到原材料生產(chǎn)爐號(hào),以及對(duì)應(yīng)的材料牌號(hào)和圓鋼直徑。從該批原材料上截取樣塊,再次進(jìn)行理化檢測(cè)。截取原材料樣塊尺寸為25mm×25mm×15mm,進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè),檢測(cè)設(shè)備為L(zhǎng)abspark5000精密直讀火花光譜儀,檢查結(jié)果(見表1)表明化學(xué)成分符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。
表1 原材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
在原材料上截取標(biāo)準(zhǔn)樣棒,進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果(見表2)表明,原材料的力學(xué)性能符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求,但實(shí)測(cè)值大多在標(biāo)準(zhǔn)范圍的下限。
表2 原材料力學(xué)性能
沿半軸斷裂面垂直方向取樣,經(jīng)過磨制拋光浸蝕后,發(fā)現(xiàn)試樣上有很多縱向分布的細(xì)條紋,表明原材料軋制形成的帶狀組織較嚴(yán)重,在斷口截面半徑1/2處尤為明顯。目測(cè)試樣左側(cè)表層有少量的白亮層,這種現(xiàn)象屬于正常的表面脫碳層;試樣右側(cè)有約2mm厚的灰色及白色異常組織,該處的外表面剛好對(duì)應(yīng)于半軸折疊及失圓部位(見圖3)。
圖3 半軸斷裂樣塊(實(shí)物)
進(jìn)一步對(duì)折疊及失圓部位異常組織進(jìn)行金相檢驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)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(xì)化組織區(qū)(見圖6);
圖5 氧化物與基體混合層(100×) 圖6 氧化物與正火細(xì)化區(qū)(100×)
第四層為正火區(qū)與原始組織的過渡層,上部分是正火細(xì)化組織的熱影響區(qū),下部分是原材料軋制空冷組織區(qū)(見圖7)。將正火細(xì)化區(qū)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(xì)化區(qū)與心部組織(100×) 圖8 正火區(qū)晶間熔洞(100×)
由上可知,該折疊失圓部位經(jīng)過了二次加熱,而且加熱溫度很高,應(yīng)該在1300℃以上。只有超過這個(gè)溫度,才能使表層形成過熱過燒組織。高溫加熱后經(jīng)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(cè)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(xiàn)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?yàn)槊撎疾课坏捻g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(nèi)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(dá)0.35～0.35mm。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T6394—2002金屬平均晶粒度測(cè)量方法》進(jìn)行評(píng)定,對(duì)應(yīng)的晶粒度等級(jí)達(dá)0～1級(jí),屬于嚴(yán)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?yuàn)A雜物,為低熔點(diǎn)硫化物夾雜(見圖13、圖14)。在總長(zhǎng)2mm的帶狀組織條帶間,斷續(xù)分布4條非金屬夾雜物,夾雜物長(zhǎng)度分別為0.25mm、0.35mm、0.30mm、0.45mm,夾雜物總長(zhǎng)達(dá)1.35mm。最長(zhǎng)單顆非金屬夾雜物面積為0.45mm×0.05mm=0.0225mm2。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T10561—2005鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定》進(jìn)行評(píng)定,超過標(biāo)準(zhǔn)要求允許的2級(jí)粗系硫化物面積(0.436mm×0.012mm=0.0052mm2)的4.33倍;超過單個(gè)視場(chǎng)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(cè)部位的斷口處,斷裂面仍然呈現(xiàn)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(yán)重的黑點(diǎn)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(jīng)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(jié)論分析
由于材料組織中非金屬夾雜物嚴(yán)重超標(biāo),以及存在疏松、孔洞等鑄造缺陷,而且原材料軋制時(shí)加熱溫度過高,使組織中出現(xiàn)過燒特征的晶間熔洞。晶界處及帶狀組織條帶間,低熔點(diǎn)的夾雜物已經(jīng)熔融,材料組織的晶間結(jié)合力急劇降低,從而產(chǎn)生鍛造開裂。金相檢測(cè)結(jié)果表明,原材料在軋制時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生很大的裂紋。鋼廠在發(fā)現(xiàn)軋制裂紋后,沒有及時(shí)進(jìn)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(jìn)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(dāng)行為,給材料使用廠家?guī)順O大的隱患。質(zhì)量反饋后,原材料生產(chǎn)廠家事故調(diào)查結(jié)果,進(jìn)一步證實(shí)結(jié)論分析的推斷。通過這次理化檢測(cè)和分析結(jié)果,希望原材料生產(chǎn)廠家重視產(chǎn)品質(zhì)量,同時(shí)也要求用戶加強(qiáng)原材料進(jìn)貨檢驗(yàn),防止該類事件再次發(fā)生。
作者:金林奎
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