34MnB5穩(wěn)定桿疲勞開裂分析

章乃俊

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

穩(wěn)定桿是汽車獨立懸架系統(tǒng)的重要組成部分,用于保持車輛轉向時的平衡,防止車身發(fā)生過大的橫向傾斜,從而提升車輛駕駛時的穩(wěn)定性與安全性[1]。隨著環(huán)境保護、節(jié)能減碳的壓力與日俱增,汽車輕量化成為了各個車企新的關注點,而使用先進高強鋼制造的空心穩(wěn)定桿可以在保證汽車安全的同時降低車身重量,與傳統(tǒng)的實心桿相比,可以減重約30%[2],因而得到廣泛的應用。穩(wěn)定桿在工作中會不斷受到扭轉、剪切、擠壓應力,因此其疲勞性能必須得到保證,零件出廠前必須通過疲勞測試。

通過高頻焊接34MnB5制作的空心穩(wěn)定桿具有成形性好、強度高、質量輕等優(yōu)點[3]。某單位以34MnB5為原料制造空心穩(wěn)定桿,在對其進行疲勞試驗時發(fā)生提前開裂,需要對其進行失效分析。本文通過體視顯微鏡、金相顯微鏡、掃描電鏡等設備對疲勞試驗開裂的34MnB5空心穩(wěn)定桿進行觀察,對其斷口形貌、金相組織、晶粒取向、晶界等方面進行了分析和探討,以探明其發(fā)生疲勞開裂的原因。

1 試驗方法

試驗材料為34MnB5空心穩(wěn)定桿,管壁厚度為0.5 mm,主要化學成分如表1所示。熱卷原料在分條后擠壓成形進行焊接制管,之后拉拔并進行退火處理,成形后進行淬火并回火,冷校正后探傷,最后噴丸形成成品。成品在后續(xù)的疲勞試驗中發(fā)生提前斷裂。

表1 樣品化學成分

分析環(huán)節(jié)使用Leica M205A立體體視顯微鏡觀察樣品的斷口宏觀形貌(圖1),使用HITACHI SU-70掃描電鏡觀察樣品的斷口微觀形貌,試驗條件為20 kV,30 μA。垂直軸向切割樣品斷口附近位置并制成鑲嵌樣,經(jīng)碳化硅砂紙打磨后在絨布上拋光,使用4%硝酸酒精侵蝕樣品,之后使用Zeiss Axio Imager M2m光學顯微鏡觀察樣品的金相組織。切割樣品的裂紋源處截面,制成鑲嵌樣,經(jīng)1 200目砂紙打磨后以硅乳膠懸浮液作為拋光液進行自動機械拋光得到EBSD觀察樣品,并使用HITACHI SU-70掃描電鏡進行樣品裂紋源處截面的EBSD掃描與分析,觀察裂紋附近晶粒的微觀形態(tài)和晶界取向,試驗條件為20 kV,30 μA。

圖1 試驗樣品宏觀形貌

2 結果與分析

2.1 樣品斷口處體視顯微形貌分析

使用無水乙醇對樣品的斷口進行超聲清洗,之后通過立體體視顯微鏡觀察樣品的斷口形貌,結果如圖2所示?？梢姌悠窋嗫诒砻娉倭夸P蝕外沒有其他明顯異常物質,斷口上的疲勞放射紋路清晰可見,其走勢呈發(fā)散型,流線有一個明顯的匯聚點,此處即為裂紋源,其位于穩(wěn)定桿的外壁附近,如圖2(a)中箭頭所示。切割斷口徑向附近的截面并觀察裂紋源正下方對應位置的金相組織,可見此處對應焊縫位置,如圖2(b)箭頭所示。由此可見樣品的疲勞開裂行為極有可能與焊接有關。

圖2 樣品斷口體視顯微形貌

2.2 樣品斷口微觀形貌及成分分析

在確定了斷口的裂紋源后,進一步使用掃描電鏡觀察樣品斷口的微觀形貌并進行成分分析,結果如圖3所示?？梢姌悠妨鸭y源處的斷口形貌較為特殊,呈沿晶開裂形貌和準解理形貌的混合,且沿晶斷口的冰糖狀晶粒表面并不平滑,而是布滿了孔狀的細小韌窩,這是氫致開裂的典型特征。氫壓理論認為[4],氫原子的濃度達到過飽和時,會在晶界、位錯、夾雜物或其他缺陷等高應力區(qū)形核析出氫氣,并在形核處引發(fā)塑性變形,因此形成的斷口沿晶界擴展,但晶面上會布滿微小韌窩,或發(fā)育不完整的韌性撕裂棱“雞爪紋”。斷口的擴展區(qū)形貌則主要為準解理斷裂形貌,能譜結果顯示斷口的裂紋源區(qū)及擴展區(qū)均未檢測到明顯異常成分。

圖3 樣品斷口微觀形貌

2.3 樣品截面金相組織

垂直軸向切割樣品的斷口附近截面并制備成鑲嵌樣,使用金相顯微鏡觀察其截面金相組織,結果如圖4所示。

圖4 樣品截面金相組織

由結果可知,樣品的基體金相組織主要為馬氏體,而焊縫處的組織也以馬氏體為主,沒有在焊縫處觀察到超標夾雜物、二次氧化顆粒或其他明顯異常物質。大量研究表明[5],高強鋼的氫脆敏感性隨著材料強度級別的提高而提高,而馬氏體鋼的強度水平非常高,因而公認有著極高的氫脆敏感性。

馬氏體高強鋼在淬火后需采用適當溫度回火,回火過程中析出的ε碳化物可以改善鋼的韌性,以達到強度與韌性的平衡,但ε碳化物也會和殘余奧氏體轉變形成Fe3C從而降低鋼的耐延遲斷裂性能。此外,馬氏體的氫脆敏感性還和回火溫度有關[6],當回火溫度較低時,析出的碳化物彌散分布于原奧氏體晶界表面,會與氫一起造成晶界的脆化;而當回火溫度較高時,晶界碳化物球化團聚,同時晶內析出大量滲碳體顆粒,這些碳化物是良好的氫陷阱,可以捕捉氫從而降低界面的可擴散氫濃度,使晶界的氫含量達不到裂紋形核的臨界值。因此需謹慎設置該樣品的回火溫度,避免回火溫度過低。

另一方面,細化晶粒能降低高強鋼的氫脆敏感性[7]。晶粒細化可以使材料變形時參與的形變晶粒更多,從而降低應力集中;此外,晶粒細化還使晶界面積增多,從而稀釋單位體積中晶界的氫濃度。值得注意的是,樣品裂紋源下方的焊縫部分區(qū)域正好存在粗大的板條狀馬氏體,此處應為焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū),推測在焊接時兩端母材的擠壓位移不夠,沒有把焊接組織完全擠壓出零件外壁去除,使熱影響區(qū)的粗晶區(qū)殘留在了零件內。該區(qū)域的粗大晶粒容易在形變時產(chǎn)生應力集中,同時還使得氫的擴散路徑變短,極有可能進一步提高該焊縫位置的氫脆敏感性。

2.4 氫致裂紋周圍微觀結構分析

材料自身的微觀組織結構和晶界形態(tài)會顯著影響其氫脆敏感性,為了提出針對性的產(chǎn)品工藝優(yōu)化意見,需要進一步對樣品的微觀結構進行分析。使用EBSD觀察樣品斷口附近截面及沿晶氫致裂紋兩側的微觀形貌,取樣位置為樣品裂紋源處的斷口截面。

圖5為裂紋源沿晶斷口處的截面IPF晶粒取向分布圖,可見其晶粒取向的分布存在一定的特征,靠近斷面處的晶粒以{111}和{001}為主要取向,而遠離斷口的晶粒則以{101}為主要取向。有研究認為[8],材料的氫脆敏感性與晶粒的取向有關,其中{001}取向的晶粒更容易發(fā)生氫致開裂。由圖5可知,焊縫的裂紋源位置存在大量{001}取向的晶粒,可能使得此處存在較大的氫致開裂傾向。

圖5 裂紋源處截面晶粒取向分布圖

進一步放大視場,通過EBSD觀察并分析斷口起裂源位置的兩處氫致裂紋,結果分別如圖6和圖7所示。

圖7 氫致裂紋Ⅱ處微觀結構

圖6(a)與圖7(a)是兩處氫致裂紋所在區(qū)域的局域取向差圖,可以反映裂紋周圍區(qū)域的應變情況。可見高應變區(qū)主要分布在斷口附近、氫致裂紋周圍及晶界附近。斷口和氫致裂紋周圍存在形變,說明此處的開裂源于塑性滑移,LAUREYS等[9]的研究認為氫會促進位錯面發(fā)生滑移,使得細微孔隙沿滑移面聚合形成微裂紋,從而導致局部塑性變形。形變的晶粒具有更高能量,會進一步誘導氫聚集,使裂紋尖端發(fā)生塑性滑移,最終導致裂紋擴展。

圖6(b)與圖7(b)是兩處氫致裂紋所在區(qū)域的晶粒取向與晶界分布圖,取向差角2°<θ<15°定義為小角度晶界,以綠色線條表示,取向差角θ>15°的晶界為大角度晶界,以黑色線條表示?？梢?氫致裂紋主要沿著大角度晶界擴展,并在小角度晶界附近停止延伸。使用Channel 5軟件測量裂紋附近的晶界取向差,圖6中裂紋兩側的取向差角為44.39°、40.94°、50.62°,裂紋末端的取向差角為10.53°、13.51°;圖7中裂紋兩側的取向差角為51.87°、54.24°、42.60°,裂紋末端的取向差角為4.98°。大角度晶界的晶界能比小角度晶界及重位點陣CSL的晶界高得多,其晶界更不穩(wěn)定,容易被激發(fā),所以大角度晶界可以容納更多氫,成為氫擴散的路徑。而小角度晶界的能量較低,可作為可逆氫陷阱捕捉氫原子使其均勻分布,從而阻止在應力集中時發(fā)生氫聚集而產(chǎn)生開裂[10],因此小角度晶界具有更高的氫致裂紋抗性。

圖6(c)與圖7(c)是兩處氫致裂紋所在區(qū)域的重位點陣CSL晶界分布圖。重位點陣簡單說是指相鄰晶粒互相穿過晶界,使得雙方的部分原子出現(xiàn)規(guī)律性的重合,其原子排列畸變不大,晶界能也較低。CSL晶界分布圖顯示,兩處氫致裂紋周圍均由∑3占主導地位,MOHTADI-BONAB等[11]認為∑3晶界具有相對較高的晶界能,容易成為氫擴散的路徑,導致材料的氫脆敏感性升高。另有∑11、∑13b、∑33c等,這些CSL晶界的晶界能較低,或許能夠阻礙氫致裂紋的擴展。

3 結論

(1)樣品的裂紋源位于焊縫位置,裂紋源的斷口呈沿晶開裂形貌+準解理形貌,且晶粒表面布滿細小韌窩,說明樣品的疲勞斷裂是由焊縫處氫致開裂導致的。

(2)樣品的母材及焊縫組織均為馬氏體,馬氏體有著極高的氫脆敏感性,同時在裂紋源處還觀察到了較為粗大的馬氏體板條,推測焊接時未將焊接組織完全擠壓出零件外壁去除,使熱影響區(qū)的粗晶區(qū)殘留在了零件內,這進一步降低了材料的抗氫脆能力。

(3)沿晶斷口、氫致裂紋周邊存在明顯高應變區(qū),說明開裂源于塑性滑移。推測是氫促進位錯面發(fā)生滑移,使細微孔隙沿滑移面聚合形成微裂紋,從而導致局部塑性變形,形變晶粒具有更高能量,會進一步誘導氫聚集,使裂紋尖端發(fā)生塑性滑移,最終誘發(fā)裂紋形成。

(4)氫致裂紋大多沿著大角度晶界擴展,并在小角度晶界附近停止延伸。大角度晶界及部分高能CSL晶界容易被激發(fā),成為氫擴散的路徑;而小角度晶界及低能CSL晶界則可作為可逆氫陷阱捕捉氫原子使其均勻分布,阻止應力集中時發(fā)生氫聚集,因此增加組織中的低能晶界可以有效抑制氫致開裂。