34MnB5穩定桿疲勞開裂分析

章乃俊

0 引言

穩定桿是汽車獨立懸架系統的重要組成部分，用于保持車輛轉向時的平衡，防止車身發生過大的橫向傾斜，從而提升車輛駕駛時的穩定性與安全性。隨著環境保護、節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定桿可以在保證汽車安全的同時降低車身重量，與傳統的實心桿相比，可以減重約30%，因而得到廣泛的應用。穩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制作的空心穩定桿具有成形性好、強度高、質量輕等優點。某單位以34MnB5為原料制造空心穩定桿，在對其進行疲勞試驗時發生提前開裂，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，以探明其發生疲勞開裂的原因。

1 試驗方法

試驗材料為34MnB5空心穩定桿，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。成品在后續的疲勞試驗中發生提前斷裂。

分析環節使用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和晶界取向，試驗條件為20 kV，30 μA。

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。可見樣品斷口表面除少量銹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，其走勢呈發散型，流線有一個明顯的匯聚點，此處即為裂紋源，其位于穩定桿的外壁附近，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。

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。可見樣品裂紋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，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形核析出氫氣，并在形核處引發塑性變形，因此形成的斷口沿晶界擴展，但晶面上會布滿微小韌窩，或發育不完整的韌性撕裂棱“雞爪紋”。斷口的擴展區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及擴展區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，結果如圖4所示。

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，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，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。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域正好存在粗大的板條狀馬氏體，此處應為焊接熱影響區的粗晶區，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，使熱影響區的粗晶區殘留在了零件內。該區域的粗大晶粒容易在形變時產生應力集中，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會顯著影響其氫脆敏感性，為了提出針對性的產品工藝優化意見，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，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6（a）與圖7（a）是兩處氫致裂紋所在區域的局域取向差圖，可以反映裂紋周圍區域的應變情況。可見高應變區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等的研究認為氫會促進位錯面發生滑移，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。可見，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，其晶界更不穩定，容易被激發，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生氫聚集而產生開裂，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規律性的重合，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，使熱影響區的粗晶區殘留在了零件內，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，說明開裂源于塑性滑移。推測是氫促進位錯面發生滑移，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，使裂紋尖端發生塑性滑移，最終誘發裂紋形成。

（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，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》2023年第4期