K1300汽车半轴校直断裂失效分析

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状态说明工件材质为40Cr中碳调质钢,工艺流程为:圆钢下料一两端花键及法兰锻造一高温正火一调质热处理一压床校直一杆部及花键中频感应淬火一油封磨削加工一浸油包装。正火处理工艺采用高温台车炉加热,920°C保温3h出炉风冷。调质处理工艺采用调质生产线加工,850C保温2h,淬入5%聚乙稀醇淬火介质，然后620C保温2h出炉水冷。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15mmx宽15mmx厚10mm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10mm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0.50mm（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,10g苦味酸+100ml二甲苯+10ml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结论分析工件校直开裂的主要原因是热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。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0.50mm处，转变为倾斜45°角的瞬间断裂剪切唇。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,显著降低材料的强度和韧性［6］。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。参考文献资格鉴定委员会.金相检验[M].上海科普出版社,2003:44-45.资格鉴定委员会.化学分析[M].上海科普出版社,2003:324-326.林际熙.金属力学性能[M].冶金工业出版社,1999:25