40Cr鋼電動車軸開裂失效分析

徐祝兵，孫洋

江蘇沙鋼集團有限公司 江蘇張家港 215625

1 序言

40Cr是一種低合金結構鋼，因其具有較高的強度、塑性和韌性及良好的切削加工性能，被廣泛用于機械制造與汽車工業的關鍵結構件中，如汽車轉向節、車軸、連桿及齒輪等[1]。為了獲得較高的強度、塑性和韌性的良好匹配，40Cr鋼在加工成零部件之前需經過系列熱處理[2，3]。如果在熱處理過程中發生工藝控制不當，則極容易導致材料強韌性能惡化，甚至引起結構件斷裂失效事故的發生[4-6]。因此，40Cr鋼的熱處理工藝研究尤為重要。

某加工廠在對調質處理的40Cr鋼圓棒材進行零部件的試制過程中，在完成滾絲工序后，發現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，試件上沒有發現裂紋；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理，對其進行了機理分析。

圖1 試樣裂紋形貌及取樣部位

2 試驗材料與方法

試驗材料為40Cr鋼車軸，其主要生產工藝為電爐冶煉，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長度。隨后進行調質處理：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進行回火處理。對調質工件軸一端打R型中心孔，小徑3.15mm、大徑6.7mm，然后在數控車床上加工長度為240mm的臺階軸，最后兩端滾絲，成為最終的車軸產品。

采用德國斯派克SPECTROLAB直讀光譜儀對40Cr鋼進行化學成分檢測，結果見表1。從表1可看出，試驗材料符合GB /T 3077—2015《合金結構鋼》中40Cr鋼化學成分標準要求[7]。

表1 40Cr鋼試樣化學成分（質量分數） (%)

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

3 試驗結果與分析

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#試樣右螺紋端發現存在多道裂紋，長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試樣左端長裂紋的宏觀形貌，從中可以看出，整個裂紋的長度貫穿螺紋部分，且端部起始部分的裂紋寬度較大，達到了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2#工件的1～8號試樣裂紋進行觀察和測量，不同位置裂紋長度和深度測量結果見表2。裂紋深度占直徑的比例自右向左逐漸降低，表明該縱向長裂紋應起始于右端螺紋位置，向左端沿縱向擴展，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度尺寸（μm）

圖3所示為2#-1試樣裂紋斷口形貌。圖3a中標記處的裂紋區（crack zone）為原始裂紋區域，斷裂區域（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，兩者交界處左側因為外力打斷導致的螺紋應變變形，在中心孔的兩側，原始裂紋的斷面平整且無明顯變形（見圖3c），但在滾絲螺紋處有明顯車削加工變形導致的沿軸徑向的形變流線（見圖3d）。中心孔兩側原始裂紋斷面均被嚴重腐蝕，且中心孔右側的腐蝕孔隙更大，且底部的孔坑平滑，數量也更多，表面中心孔右側應為優先開裂區。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量眾多的長條狀夾雜物（見圖3e），EDS檢測顯示為變形延展的MnS夾雜物，長度＞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，夾雜物的評級結果見表3。由圖4可看出，在1#和2#試件中均存在較嚴重的各類夾雜物（圖4中灰黑色部分），夾雜物長度集中在250～600μm，最長的達到700μm。按 GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》對夾雜物評級，達到細系2.5級以上[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夾雜物成分分析結果表明，無論條狀或串狀、球狀夾雜物均以Ca、Al、Mg、Si的氧化物為主，且存在少量硫化物復合夾雜。

圖4 夾雜物能譜分析

表3 夾雜物評級結果

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試樣裂紋的兩側組織中存在輕微脫碳現象，表明該裂紋是在車軸加工之前的淬火處理過程中萌生的。

圖5 顯微組織形貌

為了解裂紋處的顯微組織特征，對2#試樣裂紋附近顯微組織進行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成分對應的EDS分析。從圖6可看到，裂紋內嵌滿灰色的氧化物，裂紋開口處較寬，裂紋的末端圓鈍，無明顯的脫碳現象，裂紋末端及附近存在大量的夾雜物，EDS檢測為Ca、Al、Mg、Si的氧化物夾雜，裂紋附近顯微組織為細小的回火索氏體，索氏體基體上彌散析出有細小均勻碳化物，裂紋附近顯微組織與正常基體顯微組織無明顯差異，說明該處裂紋不是熱處理產生的淬火裂紋，而是因夾雜物而導致的。

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結果見表4，并將平均值進行布氏硬度轉換。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 橫截面試樣硬度測試結果

4 分析與討論

調質合金鋼可通過淬火、高溫回火獲得優異的綜合性能，但如果處理工藝不當，往往會導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象，說明部分裂紋在精加工前就已出現，應為淬火過程中出現微小裂紋并因碳、氧反應出現輕微脫碳的現象。硬度檢測結果顯示，淬火后表面均已達到了標準的上限值甚是局部超過了標準要求，說明車軸在冷卻過程中采用了較高的冷卻速度。由于電動車軸的直徑較小，且合金中含有較多的淬透性元素，所以淬火過程中被全部淬透，使工件表面產生較大的拉應力。當車軸表面的切向拉應力大于材料的強度時，即產生由表及里的縱向微小裂紋。

夾雜物在鋼的冶煉過程中是無法避免的，微小的夾雜物往往不會對鋼材的性能造成大的危害，但是大尺寸的夾雜會嚴重破壞基體的連續性，且受到外力時也容易導致應力集中從而誘發裂紋，導致工件失效[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以內的中部，且在裂紋尖端和敲斷區斷面也都發現了大量以MnS為主的長條狀夾雜物。在2#試樣裂紋兩側組織均為細小均勻的索氏體，裂紋尖端發現有氧化物夾雜，無脫碳現象，說明該處裂紋是在熱處理后產生的。裂紋自滾絲端沿軸向裂紋的相對比例逐漸減少，說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域最為薄弱，在表面進行滾絲時，加工應力疊加淬火應力，在直徑1/4大量夾雜物最薄弱處產生裂紋，并使初期形成的淬火裂紋擴展且寬化。裂紋沿軸向擴展，從而形成了貫穿裂紋。

5 結束語

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

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