汽車前軸用50鋼疲勞試驗失效原因分析

高文娟，張迎濤，王俊朋，李汝海，徐志剛

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光 262711）

1 前 言

山東壽光巨能特鋼有限公司是生產特殊鋼棒材和石油套管為主要產品的大型企業，50鋼是該企業中碳高強度碳素結構鋼中用于汽車用鋼的產品之一。近期某客戶反饋一批50鋼在加工汽車前軸后進行疲勞試驗時，批量出現未達到疲勞極限斷裂失效的問題，為查找原因，巨能特鋼聯系客戶取回失效試樣進行分析。

2 取樣分析

2.1 樣品斷裂形貌

取回斷裂失效樣品兩支，試樣由原材料經過切段、鍛造加熱、成型、調質熱處理，為工字型斷面。其中試樣1 經歷28.4 萬次循環后疲勞失效，試樣2經歷65 萬次循環后疲勞失效，兩支試樣形貌見圖1。試樣1、試樣2 斷裂位置、斷裂深度和邊緣縮頸形貌均相似。

圖1 試樣形貌

2.2 化學成分及力學性能

對試樣1、試樣2取樣用光譜儀分析化學成分，其檢測結果見表1，各元素均在與客戶簽訂的技術協議要求范圍內，未發現成分異常。

表1 化學成分（質量分數） %

對試樣1、試樣2 同爐號鋼材取樣按照與客戶簽訂的技術協議，進行力學性能檢測，結果見表2，各指標均滿足要求，未有異常。

表2 力學性能

2.3 斷口分析

2.3.1 斷口形貌

在試樣1、試樣2斷裂位置取斷口試樣分析，取樣位置見圖2。

圖2 試樣口取樣位置

打開斷口后，可見試樣1、試樣2裂紋源均位于“工”字形試樣同一平面［1］，且距離平面邊緣均約20 mm位置，向周圍擴展，最后在縮頸位置斷裂，見圖3。

圖3 試樣斷口形貌

2.3.2 裂紋源分析

在掃描電鏡下觀察試樣1、試樣2斷口，裂紋源處均見數條斷裂臺階，試樣外表面氧化嚴重，斷口近表面處氧化，擴展區為脆性斷口，最后瞬時斷裂區為韌窩狀塑性斷口，見圖4。

圖4 試樣斷口形貌組織

在試樣1、試樣2 裂紋源處用掃描電鏡和能譜儀做EDS面掃描分析，見圖5，裂紋源處未見冶金夾雜物成分。

圖5 試樣裂紋源面掃描圖像

2.4 金相組織分析

2.4.1 裂紋源處金相組織分析

在試樣1裂紋源處切割金相試樣分析，可見裂紋源處存在深度0.1 mm左右的全脫碳層，橫向寬度3.5 mm左右，且脫碳區域較正常邊緣區域存在凹下特征［2］，見圖6。

圖6 試樣1裂紋源處切割金相試樣

同樣在試樣2裂紋源處切割金相試樣分析，裂紋源處也存在深度0.1 mm左右的全脫碳層，橫向寬度4 mm 左右，且脫碳區域較正常邊緣區域也存在凹下特征，見圖7。

圖7 試樣2裂紋源處切割金相試樣

2.4.2 其余位置金相組織分析

在距離試樣1、試樣2 裂紋源同軸向20 mm 和端部位置取金相試樣觀察高倍組織，取樣位置見圖8，均未發現與裂紋源處類似脫碳現象，見圖9，說明該缺陷并非沿軸向即鋼材軋制方向分布。

圖8 取樣位置

圖9 試樣組織

2.5 低倍酸洗檢驗

將試樣1、試樣2裂紋源處用1∶1鹽酸水溶液加熱至80℃后酸洗，觀察表面，未發現缺陷，酸洗后試樣見圖10。

圖10 試樣酸洗后表面

3 結 語

將試樣1、試樣2 所有檢驗分析情況與客戶溝通交流，雙方認同原材料無缺陷結論，同時建議客戶檢查各工序與缺陷對應位置是否存在異常，導致該處脫碳及下凹。試樣表面存在凹下的異常脫碳導致其在疲勞試驗時該處強度降低，產生應力集中，優先從該處斷裂，并擴展開裂，是導致該批50鋼未達到疲勞極限斷裂失效的直接原因［3］。客戶檢查鍛打成型工序發現其模具與缺陷對應位置存在凸出的氧化鐵皮粘連，清除后該問題得到解決。