34MnB5穩(wěn)定桿疲勞開裂分析

章乃俊

0 引言

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(zhuǎn)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。隨著環(huán)境保護(hù)、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(guān)注點，而使用先進(jìn)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%，因而得到廣泛的應(yīng)用。穩(wěn)定桿在工作中會不斷受到扭轉(zhuǎn)、剪切、擠壓應(yīng)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(zhì)量輕等優(yōu)點。某單位以34MnB5為原料制造空心穩(wěn)定桿，在對其進(jìn)行疲勞試驗時發(fā)生提前開裂，需要對其進(jìn)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(shè)備對疲勞試驗開裂的34MnB5空心穩(wěn)定桿進(jìn)行觀察，對其斷口形貌、金相組織、晶粒取向、晶界等方面進(jìn)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(xué)成分如表1所示。熱卷原料在分條后擠壓成形進(jìn)行焊接制管，之后拉拔并進(jìn)行退火處理，成形后進(jìn)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。

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(xué)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(jìn)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(jìn)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。

2 結(jié)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(jìn)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(jié)果如圖2所示。可見樣品斷口表面除少量銹蝕外沒有其他明顯異常物質(zhì)，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(yīng)位置的金相組織，可見此處對應(yīng)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(guān)。

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(jìn)一步使用掃描電鏡觀察樣品斷口的微觀形貌并進(jìn)行成分分析，結(jié)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(zhǔn)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(xì)小韌窩，這是氫致開裂的典型特征。氫壓理論認(rèn)為，氫原子的濃度達(dá)到過飽和時，會在晶界、位錯、夾雜物或其他缺陷等高應(yīng)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(kuò)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(kuò)展區(qū)形貌則主要為準(zhǔn)解理斷裂形貌，能譜結(jié)果顯示斷口的裂紋源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)均未檢測到明顯異常成分。

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(jié)果如圖4所示。

由結(jié)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(biāo)夾雜物、二次氧化顆?；蚱渌黠@異常物質(zhì)。大量研究表明，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(rèn)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(dāng)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(dá)到強度與韌性的平衡，但ε碳化物也會和殘余奧氏體轉(zhuǎn)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(guān)，當(dāng)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(dāng)回火溫度較高時，晶界碳化物球化團(tuán)聚，同時晶內(nèi)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(kuò)散氫濃度，使晶界的氫含量達(dá)不到裂紋形核的臨界值。因此需謹(jǐn)慎設(shè)置該樣品的回火溫度，避免回火溫度過低。

另一方面，細(xì)化晶粒能降低高強鋼的氫脆敏感性。晶粒細(xì)化可以使材料變形時參與的形變晶粒更多，從而降低應(yīng)力集中；此外，晶粒細(xì)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(yīng)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(nèi)。該區(qū)域的粗大晶粒容易在形變時產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時還使得氫的擴(kuò)散路徑變短，極有可能進(jìn)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(jié)構(gòu)分析

材料自身的微觀組織結(jié)構(gòu)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(jìn)一步對樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)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(cè)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(yuǎn)離斷口的晶粒則以{101}為主要取向。有研究認(rèn)為，材料的氫脆敏感性與晶粒的取向有關(guān)，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。

進(jìn)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(jié)果分別如圖6和圖7所示。

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(yīng)變情況。可見高應(yīng)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等的研究認(rèn)為氫會促進(jìn)位錯面發(fā)生滑移，使得細(xì)微孔隙沿滑移面聚合形成微裂紋，從而導(dǎo)致局部塑性變形。形變的晶粒具有更高能量，會進(jìn)一步誘導(dǎo)氫聚集，使裂紋尖端發(fā)生塑性滑移，最終導(dǎo)致裂紋擴(kuò)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(kuò)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(cè)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(cè)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(kuò)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(yīng)力集中時發(fā)生氫聚集而產(chǎn)生開裂，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?；ハ啻┻^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(dǎo)地位，MOHTADI-BONAB等認(rèn)為∑3晶界具有相對較高的晶界能，容易成為氫擴(kuò)散的路徑，導(dǎo)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(kuò)展。

3 結(jié)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(zhǔn)解理形貌，且晶粒表面布滿細(xì)小韌窩，說明樣品的疲勞斷裂是由焊縫處氫致開裂導(dǎo)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(nèi)，這進(jìn)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(yīng)變區(qū)，說明開裂源于塑性滑移。推測是氫促進(jìn)位錯面發(fā)生滑移，使細(xì)微孔隙沿滑移面聚合形成微裂紋，從而導(dǎo)致局部塑性變形，形變晶粒具有更高能量，會進(jìn)一步誘導(dǎo)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(kuò)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(kuò)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(yīng)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。

本文摘自《寶鋼技術(shù)》2023年第4期