42CrMoA扭桿斷裂的原因分析*

張 偉， 韓曉威， 楊曉彩

(1.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院建筑工程系， 河北 石家莊 050091；2.中鋼集團工程設計研究院石家莊設計院冶金分院， 河北 石家莊 050021)

引 言

42CrMoA是中碳合金結(jié)構(gòu)鋼中使用較廣泛的一種典型產(chǎn)品，其特點是在碳鋼中添加了一定含量的鉻和鉬合金元素，從而具有良好的綜合性能，故能應用在工程結(jié)構(gòu)零件、石油化工管道、汽車船舶等工程領(lǐng)域。當使用在汽車的懸架系統(tǒng)中的扭桿時，能保證汽車在行駛過程中運行平穩(wěn)。某廠生產(chǎn)的42CrMoA 鋼棒材在臺架試驗時出現(xiàn)了斷裂的現(xiàn)象，本文用掃描電鏡和金相觀察分析了裂紋的形貌和顯微組織，用能譜法確定了非金屬夾雜物的種類，以期找到裂紋產(chǎn)生的原因從而為生產(chǎn)做理論指導[1-3]。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

某公司使用42CrMoA鋼棒生產(chǎn)汽車扭桿(Φ27.5 mm)進行臺架試驗時未達到規(guī)定次數(shù)即出現(xiàn)斷裂，斷口情況如圖1所示，裂紋源距表面約3.8 mm，斷裂源均位于扭桿中心部位的附近。

圖1 材料斷口形貌

42CrMoA汽車扭桿對應國標《合金結(jié)構(gòu)鋼》中的化學成分要求如表1所示。

1.2 試驗方法

首先采用光譜儀檢測裂紋試樣的化學成分，用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察宏觀斷口和微觀形貌，然后通過能譜儀來分析非金屬夾雜物的成分，以確定裂紋形成的原因，最后再通過觀察試樣的金相組織，檢查42CrMoA的熱處理工藝是否造成了組織的異常。

表1 42CrMoA鋼的化學成分/%

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 化學成分檢驗

首先從工件斷裂處進行取樣，然后用光譜儀分析其成分，其檢測結(jié)果如表2中所示，從表中可以看出，材料的化學成分是符合國家標準中的42CrMoA成分要求的，說明此次斷裂與材質(zhì)成分無直接關(guān)系。

2.2 斷口分析

將斷口清洗后用掃描電子顯微鏡來觀察斷口形貌(如圖2所示)。可以看到斷口上有個凹坑，凹坑內(nèi)有非金屬夾雜物，通過觀察斷裂源區(qū)域的微觀斷裂形貌發(fā)現(xiàn)其為沿晶斷裂方式，觀察擴展區(qū)微觀斷裂的形貌發(fā)現(xiàn)其為解理斷裂方式。

表2 42CrMoA分析元素及結(jié)果/%

圖2 掃描斷口形貌

2.3 能譜分析

從圖3(a)中的斷口形貌來看，菊花狀的放射中心是斷裂源，周圍呈菊花狀的放射紋路應該是斷裂源處產(chǎn)生的裂紋在應力的作用下向四周擴展而形成的。從圖3(b)中發(fā)現(xiàn)了夾雜物，尺寸達到10 μm；由能譜分析得出，裂紋源主要為非金屬夾雜物，例如CaO，Al2O3和CaS復合物，并含有部分MgO和SiO2，這些尺寸比較大的非金屬夾雜物處于裂紋萌生的位置，當超過所能承受的疲勞強度時將會斷裂，而且越靠近工件表面疲勞壽命會越短，如表3所示[4]。

圖3 裂紋源夾雜物形貌

2.4 奧氏體晶粒度

將試樣進行研磨、拋光后用飽和的苦味酸進行浸蝕，從圖4中可以看到奧氏體晶粒度為6.5-7.5級，結(jié)果顯示未發(fā)現(xiàn)異常粗大組織，說明工件的原料組織符合要求。

表3 裂紋源夾雜物能譜分析結(jié)果/%

圖4 奧氏體晶粒度

2.5 金相組織

截取工件裂紋附近的試樣用線切割進行切割，然后用由粗到細的砂紙進行研磨、拋光、4%的硝酸酒精溶液腐蝕，將腐蝕好的試樣用光學顯微鏡進行觀察，其顯微組織如圖5所示，從試樣表層直到7 mm內(nèi)的顯微組織主要是回火馬氏體，而距表面7-10 mm內(nèi)的區(qū)域為過渡區(qū)，心部組織主要是回火索氏體，說明該處組織屬于正常狀態(tài)，由此可見不是由金相組織異常而造成的斷裂。

圖5 試樣的顯微組織

2.6 力學性能檢驗

從緊鄰斷口部位截取試樣，進行硬度測試，硬度值對稱分布，測試結(jié)果如表4所示，從檢查結(jié)果來看零件的硬度符合材料要求。

表4 硬度測試結(jié)果

3 結(jié)束語

(1)由化學成分檢測結(jié)果可知材料的化學成分符合國家標準的規(guī)定，說明不是由冶煉時的成分誤差而造成的扭桿斷裂。

(2) 通過觀察工件的金相組織，未發(fā)現(xiàn)明顯的粗大晶粒和異常組織，說明不是由加工工藝不正確而造成的斷裂。

(3)通過掃描電鏡觀察斷口和能譜分析夾雜物成分得知，工件在冶煉過程中存在嚴重的硫化物和氧化物等非金屬夾雜物，促進了裂紋萌生，降低了扭桿的疲勞壽命，造成在臺架試驗中的斷裂[5]。