40Cr鋼電動(dòng)車軸開裂失效分析

徐祝兵，孫洋

江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司 江蘇張家港 215625

1 序言

40Cr是一種低合金結(jié)構(gòu)鋼，因其具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性及良好的切削加工性能，被廣泛用于機(jī)械制造與汽車工業(yè)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件中，如汽車轉(zhuǎn)向節(jié)、車軸、連桿及齒輪等[1]。為了獲得較高的強(qiáng)度、塑性和韌性的良好匹配，40Cr鋼在加工成零部件之前需經(jīng)過(guò)系列熱處理[2，3]。如果在熱處理過(guò)程中發(fā)生工藝控制不當(dāng)，則極容易導(dǎo)致材料強(qiáng)韌性能惡化，甚至引起結(jié)構(gòu)件斷裂失效事故的發(fā)生[4-6]。因此，40Cr鋼的熱處理工藝研究尤為重要。

某加工廠在對(duì)調(diào)質(zhì)處理的40Cr鋼圓棒材進(jìn)行零部件的試制過(guò)程中，在完成滾絲工序后，發(fā)現(xiàn)貫通車軸的縱向裂紋，如圖1所示。其中1#試件為冷拔熱處理后的原材料，試件上沒有發(fā)現(xiàn)裂紋；2#試件為加工完成后的裂紋車軸。為了查明40Cr鋼表面裂紋的開裂機(jī)理，對(duì)其進(jìn)行了機(jī)理分析。

圖1 試樣裂紋形貌及取樣部位

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為40Cr鋼車軸，其主要生產(chǎn)工藝為電爐冶煉，澆注成φ310mm圓坯，控制軋制為20mm棒材，然后拉拔至φ18.5m m，利用剪床剪切為240mm長(zhǎng)度。隨后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理：在箱式加熱爐中加熱到860℃、保溫25min后油浴淬火至室溫，然后加熱到500℃保溫30min進(jìn)行回火處理。對(duì)調(diào)質(zhì)工件軸一端打R型中心孔，小徑3.15mm、大徑6.7mm，然后在數(shù)控車床上加工長(zhǎng)度為240mm的臺(tái)階軸，最后兩端滾絲，成為最終的車軸產(chǎn)品。

采用德國(guó)斯派克SPECTROLAB直讀光譜儀對(duì)40Cr鋼進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見表1。從表1可看出，試驗(yàn)材料符合GB /T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中40Cr鋼化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。

表1 40Cr鋼試樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)

將2#試樣自右向左分別進(jìn)行分段標(biāo)記為2#-1～2#-8（見圖1），利用砂輪進(jìn)行分段切割。采用Stereo Discovery.V20體視顯微鏡和ZEISS-EVO18掃描電子顯微鏡進(jìn)行裂紋形貌分析。對(duì)切割后部分試樣進(jìn)行機(jī)械研磨拋光，然后進(jìn)行夾雜物評(píng)價(jià)分析，并在Tukon 2100B維氏硬度計(jì)上進(jìn)行硬度檢測(cè)。采用4%的硝酸酒精溶液對(duì)拋光試樣腐蝕后進(jìn)行顯微組織觀察，并利用ZEISS-EVO18的EDS能譜儀進(jìn)行夾雜物的成分分析。同時(shí)，為了對(duì)比研究熱處理對(duì)后道工序的影響，取未進(jìn)行精加工的原材料1#試件進(jìn)行對(duì)比分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 裂紋形貌觀察

圖2所示為2#試樣切割后右端裂紋的宏觀形貌。在2#試樣右螺紋端發(fā)現(xiàn)存在多道裂紋，長(zhǎng)裂紋與車軸縱向大裂紋貫通，而短裂紋則止于螺紋部分。圖2a、c所示為2#-1試樣左端長(zhǎng)裂紋的宏觀形貌，從中可以看出，整個(gè)裂紋的長(zhǎng)度貫穿螺紋部分，且端部起始部分的裂紋寬度較大，達(dá)到了0.5mm，隨著裂紋的延伸，寬度由0.5mm逐步降低到0.3mm左右，且裂紋深度貫穿了車軸的整個(gè)橫截面。圖2b、d所示為2#-1試樣右端較短裂紋形貌，該裂紋長(zhǎng)度約4.183mm，起源于螺紋端部，裂紋深度約6.2mm，約為車軸直徑的58%。

圖2 2#-1試樣左右端裂紋形貌

在體視顯微鏡下依次對(duì)2#工件的1～8號(hào)試樣裂紋進(jìn)行觀察和測(cè)量，不同位置裂紋長(zhǎng)度和深度測(cè)量結(jié)果見表2。裂紋深度占直徑的比例自右向左逐漸降低，表明該縱向長(zhǎng)裂紋應(yīng)起始于右端螺紋位置，向左端沿縱向擴(kuò)展，終止于左端螺紋中間部分。

表2 2#試樣不同部位橫截面裂紋深度及長(zhǎng)度尺寸（μm）

圖3所示為2#-1試樣裂紋斷口形貌。圖3a中標(biāo)記處的裂紋區(qū)（crack zone）為原始裂紋區(qū)域，斷裂區(qū)域（knock off zone）為試樣打斷后的新裂紋斷面。從圖3b可看出，在原始裂紋與新裂紋交界處存在深色氧化鐵覆蓋層，兩者交界處左側(cè)因?yàn)橥饬Υ驍鄬?dǎo)致的螺紋應(yīng)變變形，在中心孔的兩側(cè)，原始裂紋的斷面平整且無(wú)明顯變形（見圖3c），但在滾絲螺紋處有明顯車削加工變形導(dǎo)致的沿軸徑向的形變流線（見圖3d）。中心孔兩側(cè)原始裂紋斷面均被嚴(yán)重腐蝕，且中心孔右側(cè)的腐蝕孔隙更大，且底部的孔坑平滑，數(shù)量也更多，表面中心孔右側(cè)應(yīng)為優(yōu)先開裂區(qū)。此外，打斷后新形成裂紋斷面條帶特征明顯，沿條帶狀底部可見數(shù)量眾多的長(zhǎng)條狀?yuàn)A雜物（見圖3e），EDS檢測(cè)顯示為變形延展的MnS夾雜物，長(zhǎng)度＞70μm。

圖3 裂紋表面形貌

3.2 夾雜物分析

取1#中部和2#-4試件平行于軸向的縱截面進(jìn)行夾雜物分析。圖4所示為觀察到的典型夾雜物尺寸形貌，夾雜物的評(píng)級(jí)結(jié)果見表3。由圖4可看出，在1#和2#試件中均存在較嚴(yán)重的各類夾雜物（圖4中灰黑色部分），夾雜物長(zhǎng)度集中在250～600μm，最長(zhǎng)的達(dá)到700μm。按 GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)夾雜物評(píng)級(jí)，達(dá)到細(xì)系2.5級(jí)以上[7]。尤其是存在寬度超尺寸的C類夾雜物，主要集中分布在直徑1/4處和中心部位。EDS夾雜物成分分析結(jié)果表明，無(wú)論條狀或串狀、球狀?yuàn)A雜物均以Ca、Al、Mg、Si的氧化物為主，且存在少量硫化物復(fù)合夾雜。

圖4 夾雜物能譜分析

表3 夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果

3.3 顯微組織與硬度分析

圖5所示為1#試件和2#試件不同位置裂紋附近的顯微組織形貌。1#、2#試件的顯微組織差別不大，均為細(xì)小回火索氏體組織，且在試樣表面沒有觀察到脫碳及其他異常組織存在。但在2#-4試樣裂紋的兩側(cè)組織中存在輕微脫碳現(xiàn)象，表明該裂紋是在車軸加工之前的淬火處理過(guò)程中萌生的。

圖5 顯微組織形貌

為了解裂紋處的顯微組織特征，對(duì)2#試樣裂紋附近顯微組織進(jìn)行SEM觀察，圖6所示為2#-2裂紋附近顯微組織SEM形貌及裂紋周圍夾雜物化學(xué)成分對(duì)應(yīng)的EDS分析。從圖6可看到，裂紋內(nèi)嵌滿灰色的氧化物，裂紋開口處較寬，裂紋的末端圓鈍，無(wú)明顯的脫碳現(xiàn)象，裂紋末端及附近存在大量的夾雜物，EDS檢測(cè)為Ca、Al、Mg、Si的氧化物夾雜，裂紋附近顯微組織為細(xì)小的回火索氏體，索氏體基體上彌散析出有細(xì)小均勻碳化物，裂紋附近顯微組織與正常基體顯微組織無(wú)明顯差異，說(shuō)明該處裂紋不是熱處理產(chǎn)生的淬火裂紋，而是因夾雜物而導(dǎo)致的。

圖6 裂紋尖端形貌及組織

1#和2#試件橫截面的維氏硬度檢測(cè)結(jié)果見表4，并將平均值進(jìn)行布氏硬度轉(zhuǎn)換。1#試樣平均布氏硬度為256HBW，而2#開裂試件的平均布氏硬度為262HBW，高出40Cr鋼車軸所要求范圍（230～260HBW）的上限值。

表4 橫截面試樣硬度測(cè)試結(jié)果

4 分析與討論

調(diào)質(zhì)合金鋼可通過(guò)淬火、高溫回火獲得優(yōu)異的綜合性能，但如果處理工藝不當(dāng)，往往會(huì)導(dǎo)致工件的變形與開裂[8，9]。在2#-4工件裂紋周圍有輕微脫碳現(xiàn)象，說(shuō)明部分裂紋在精加工前就已出現(xiàn)，應(yīng)為淬火過(guò)程中出現(xiàn)微小裂紋并因碳、氧反應(yīng)出現(xiàn)輕微脫碳的現(xiàn)象。硬度檢測(cè)結(jié)果顯示，淬火后表面均已達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的上限值甚是局部超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明車軸在冷卻過(guò)程中采用了較高的冷卻速度。由于電動(dòng)車軸的直徑較小，且合金中含有較多的淬透性元素，所以淬火過(guò)程中被全部淬透，使工件表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。當(dāng)車軸表面的切向拉應(yīng)力大于材料的強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生由表及里的縱向微小裂紋。

夾雜物在鋼的冶煉過(guò)程中是無(wú)法避免的，微小的夾雜物往往不會(huì)對(duì)鋼材的性能造成大的危害，但是大尺寸的夾雜會(huì)嚴(yán)重破壞基體的連續(xù)性，且受到外力時(shí)也容易導(dǎo)致應(yīng)力集中從而誘發(fā)裂紋，導(dǎo)致工件失效[10-12]。在原材料和成品車軸中均存在大量的C類夾雜物，集中分布在直徑1/4以內(nèi)的中部，且在裂紋尖端和敲斷區(qū)斷面也都發(fā)現(xiàn)了大量以MnS為主的長(zhǎng)條狀?yuàn)A雜物。在2#試樣裂紋兩側(cè)組織均為細(xì)小均勻的索氏體，裂紋尖端發(fā)現(xiàn)有氧化物夾雜，無(wú)脫碳現(xiàn)象，說(shuō)明該處裂紋是在熱處理后產(chǎn)生的。裂紋自滾絲端沿軸向裂紋的相對(duì)比例逐漸減少，說(shuō)明車軸裂紋起裂于平頭中心孔端部。車軸兩端中心孔和頂針孔區(qū)域最為薄弱，在表面進(jìn)行滾絲時(shí)，加工應(yīng)力疊加淬火應(yīng)力，在直徑1/4大量夾雜物最薄弱處產(chǎn)生裂紋，并使初期形成的淬火裂紋擴(kuò)展且寬化。裂紋沿軸向擴(kuò)展，從而形成了貫穿裂紋。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）40Cr鋼車軸淬火過(guò)程中，由于工件淬透，使表面拉應(yīng)力增大，所以在車軸表面產(chǎn)生由表及里的縱向微小裂紋，微裂紋在應(yīng)力集中位置萌生（車軸端部螺紋中心孔處）。分析表明，熱處理工藝不當(dāng)是產(chǎn)生裂紋的主要因素。

2）40Cr鋼中存在大尺寸條帶狀C類夾雜物和數(shù)量較多的硫化物，大尺寸夾雜物嚴(yán)重破壞了40Cr鋼的連續(xù)性。在滾絲的過(guò)程中，加工應(yīng)力導(dǎo)致中心孔處淬火形成的微裂紋沿軸向夾雜物迅速擴(kuò)展，形成縱向貫通工件的大裂紋。