40MnBH半軸材料開裂失效分析

文/吳超，吳勇·丹江口市金馳利半軸有限公司

40MnBH半軸材料開裂失效分析

文/吳超，吳勇·丹江口市金馳利半軸有限公司

吳超，助理工程師，從事商用車底盤零部件的研發(fā)與制造。

本文主要針對實際生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的半軸材料失效形式，從理化、金相等方面對失效的機理進行剖析，為生產(chǎn)企業(yè)在實際生產(chǎn)中處理類似問題提供了理論基礎(chǔ)。

半軸是在差速器與驅(qū)動輪之間傳遞動力的實心軸，如圖1所示。其內(nèi)端用花鍵與差速器的半軸齒輪連接，而外端則與驅(qū)動輪的輪轂相連。一般載重車采用全浮式半軸，它主要承受驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)矩，小客車多用半浮式半軸，工作載荷為彎扭復合力矩。半軸應具有足夠的強度、韌性和良好的抗疲勞性能，一般都使用中、低碳合金鋼制造。我公司采用40MnBH低合金結(jié)構(gòu)鋼生產(chǎn)中重型商用車半軸，在某批次中發(fā)現(xiàn)半軸在感應淬火后，經(jīng)磁力探傷發(fā)現(xiàn)表面多處有縱向裂紋，如圖2所示，存在缺陷的半軸數(shù)量大約在3%，公司要求技術(shù)人員分析產(chǎn)生裂紋的原因及評定裂紋嚴重程度。

圖1 汽車半軸實物

圖2 中間桿部在熒光磁粉探傷中呈現(xiàn)條狀磁痕

工藝流程

半軸的熱處理工藝主要為調(diào)質(zhì)及感應淬火。制造工藝路線為下料→鍛造成形→調(diào)質(zhì)→矯直→銑端面、打中心孔→矯直→機械加工→清洗→中頻感應加熱淬火、回火→矯直→磁力探傷→精加工→成品。調(diào)質(zhì)作為預備熱處理采用整體加熱（淬火加熱溫度為850℃）+水冷（水溫為48℃）及高溫回火（溫度為580℃）。最終熱處理采用感應淬火+低溫回火（溫度為180℃）。

失效分析

⑴宏觀觀察。現(xiàn)場探傷發(fā)現(xiàn)裂紋有表面起皮和縱向細小發(fā)紋兩種。

較少數(shù)量的半軸出現(xiàn)了表面起皮這種缺陷，如圖3所示。較多數(shù)量的半軸出現(xiàn)了縱向細小發(fā)紋這種缺陷，肉眼難分辨，在熒光下探傷發(fā)現(xiàn)縱向磁痕，經(jīng)角磨機打磨后仍存在，如圖4所示。根據(jù)經(jīng)驗，這種條狀裂紋或者缺陷應該是材料里面有夾雜物造成的。

圖3 表面起皮剝離

圖4 打磨后再次探傷仍有條狀磁痕

1)該缺陷與感應淬火裂紋特征不符，感應淬火裂紋大都出現(xiàn)在法蘭盤與桿部的過渡區(qū)以及花鍵根部或者邊角這些應力集中的部位，同批裂紋出現(xiàn)的部位具有一致性。而這次出現(xiàn)的裂紋是隨機的，甚至在未淬火的法蘭盤上也存在，可以排除感應淬火裂紋。

2)與調(diào)質(zhì)淬火裂紋的特征不符，調(diào)質(zhì)淬火裂紋同樣也應該出現(xiàn)在應力集中的部位或者邊角的位置。

3)與鍛造出現(xiàn)的裂紋特征不符，棒料兩端會進行鍛造加熱，中間桿部是沒有加熱的，所以不可能是鍛造裂紋。

⑵化學成分分析。選擇有缺陷的失效半軸取樣分析，其化學成分見表1。檢測結(jié)果表明，該40MnBH材料所有元素含量均符合GB/T3077-1999標準的要求。

⑶金相觀察。從圖5、6可以分析出，圖3半軸橫截面裂紋是表面起皮部位的裂紋向材料內(nèi)部的延伸，裂紋與表面垂直，是周向淬火拉應力所導致的。從圖7、8可以分析出，圖4半軸橫截面上在磁痕位置有兩條疑似裂紋的缺陷，一條深達1.2mm，另一條相對較淺只有0.4mm。裂紋面被夾雜物或夾渣充滿，裂紋面都有嚴重的脫碳，表明這些缺陷是原材料本身已經(jīng)存在，因為調(diào)質(zhì)加熱不會造成開裂，只有淬火冷卻過程中由于材料應力的釋放才會出現(xiàn)淬火裂紋，淬火和回火是不會出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象的。同理，感應淬火也不會造成脫碳，這種缺陷只可能是原材料本身存在的。

■ 表1 取樣零件的化學成分（ω，%）

通過基體夾雜物的狀況進一步確定這些出現(xiàn)在局部表面缺陷產(chǎn)生的原因。縱向截面上，可以看到明顯的硫化物夾雜條帶，級別1.5級，沒有超過標準要求的3級，橫向截面上沒有發(fā)現(xiàn)大塊狀或者條狀夾雜物，表明熔煉過程是正常的。這些夾雜物的分布特點與上面看到的圖2的夾雜特點不相符。而且這些夾渣附近的基體也沒有發(fā)現(xiàn)異常的夾雜分布。這些夾渣類型的缺陷都處于表層，并起始于表面，如圖9、10所示。

圖5 半軸起皮部位橫截面

圖6 桿部疑似裂紋處橫截面

圖7 疑似裂紋橫截面夾渣高倍下的特點

圖8 疑似裂紋橫截面嚴重脫碳的特征

圖9 材料橫向截面上夾雜分布狀況

圖10 材料縱向截面上夾雜分布狀況

結(jié)束語

半軸在感應淬火后的探傷過程中發(fā)現(xiàn)，3%左右的半軸桿部或法蘭部位存在線狀磁痕，部分嚴重的直接就可以觀察到起皮的現(xiàn)象；通過分析排除了鍛造成形、調(diào)質(zhì)、感應淬火這些工藝導致缺陷的可能；從裂紋的形態(tài)和存在嚴重脫碳現(xiàn)象，以及根據(jù)裂縫面被夾渣物填滿的特點來看，材料在鋼廠的軋制成形過程中就已經(jīng)存在細小裂紋或折疊。后來，在軋制過程中這些小裂紋或折疊被延展，分布在表面，這些在探傷時表現(xiàn)為縱向磁痕的缺陷深度達1.2mm，嚴重影響了半軸的性能，已存在此類缺陷的半軸不能投入使用。