汽車車軸管疲勞壽命偏低原因分析與改進(jìn)

趙波，廖德勇，劉祥，吳紅，王善寶，袁琴，解德剛

（1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著我國(guó)汽車產(chǎn)量的不斷增加，汽車車軸管需求量也日益增大。半掛汽車因其具有快捷、迅速、流動(dòng)性強(qiáng)的運(yùn)輸特點(diǎn)而得到迅猛發(fā)展，半掛汽車車軸用無縫鋼管的使用量也快速增加［1］。由于車軸在服役過程中除承受牽引力外，還承受彎矩和交變載荷的作用，因此對(duì)其性能要求較高，必須具有高強(qiáng)性和高韌性［2-4｛。SAE1527 是ASTM A29 標(biāo)準(zhǔn)中的牌號(hào)，屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼，可用于半掛汽車車軸管。由于其具有較好的滲碳和淬透性、優(yōu)良的耐磨性和強(qiáng)韌性、較好的低溫沖擊韌性等，在汽車零部件的制造中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)加工工藝往往采用分段式加工，即用鋼板彎成方管后，兩頭再焊接軸頭，工藝復(fù)雜且焊接缺陷較多。而整體式車軸管與焊接式車橋相比，工藝具有流線連續(xù)、成本低、重量輕、剛性好、疲勞強(qiáng)度高、成型和熱處理一致性好、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，既節(jié)約了鋼鐵原材料，又降低了加工成本，屬于低碳環(huán)保型產(chǎn)品，已成為整體后橋車軸成形工藝的重要發(fā)展方向［5］。車軸是關(guān)鍵承載部件，其斷裂破壞直接危害到運(yùn)輸安全，車軸損傷具有很強(qiáng)的隱蔽性和突然性，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民安全帶來巨大的損失和災(zāi)難，而在車軸損傷中，絕大部分是由疲勞損傷引起的。為了保證其使用的安全性和可靠性，車軸管在出廠前往往需要開展疲勞試驗(yàn)，對(duì)未達(dá)到設(shè)計(jì)疲勞壽命的鋼管予以分析研究并及時(shí)改進(jìn)。

1 車軸管疲勞斷裂的基本情況

某廠生產(chǎn)的Φ178 mm×9 mm 規(guī)格SAE1527無縫鋼管經(jīng)用戶二次成型成方管后熱處理，其冶煉及加工主要流程為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 爐精煉→方坯連鑄→圓坯軋制→環(huán)形加熱爐加熱→穿孔→連軋→矯直→探傷等。之后用戶經(jīng)定尺鋸切→軸管上機(jī)→中頻加熱→熱擠壓成型→軸管推方→整體調(diào)質(zhì)→噴丸打砂等工序，成型后方管規(guī)格為150 mm×150 mm。進(jìn)行整管疲勞試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)其疲勞壽命偏低，未達(dá)到規(guī)定要求即發(fā)生斷裂，因此對(duì)疲勞斷裂后的試樣進(jìn)行斷裂原因分析。方管疲勞斷裂宏觀圖片見圖1，裂紋延伸方向垂直于鋼管軸向方向，裂紋較平直，長(zhǎng)度超過30 cm，在方管角部裂紋較寬。

圖1 方管疲勞斷裂宏觀圖片F(xiàn)ig.1 Macroscopic Images of Fatigue Fractures of Square Tubes

2 斷裂試樣化檢驗(yàn)分析

2.1 化學(xué)成分分析

采用ICP 化學(xué)法對(duì)鋼管成分進(jìn)行了分析，SAE1527 鋼化學(xué)成分見表1，可見各元素含量均符合SAE1527 鋼技術(shù)要求。

表1 SAE1527 鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in SAE1527 Steel（Mass Fraction）%

2.2 力學(xué)性能檢驗(yàn)

在方管裂紋附近未開裂位置取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)。拉伸試樣采用Φ8.9 mm 的縱向圓拉力，拉伸設(shè)備為Zwick/Roell Z600。取10 mm×7.5 mm×55 mm 縱向沖擊試樣，在PIT752H-3 沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了常溫沖擊檢驗(yàn)，力學(xué)性能結(jié)果如表2 所示，由表2 可見，該試樣的拉伸性能雖滿足要求，但屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均偏下限，余量不足。沖擊性能良好，滿足用戶要求。

表2 力學(xué)性能Table 2 Mechanical Properties

2.3 夾雜物分析

夾雜物對(duì)材料疲勞性能的影響尤其重要。非金屬夾雜物或其他脆性相若處于材料的表面時(shí)，他們與基體相交的界面往往起到類裂紋作用，疲勞裂紋由此擴(kuò)展，并導(dǎo)致疲勞斷裂［6］。同時(shí)，非金屬夾雜物會(huì)破壞金屬的連續(xù)性和致密性，造成應(yīng)力集中，會(huì)降低鋼的力學(xué)性能及加工性能［7］。因此，對(duì)樣品進(jìn)行夾雜物分析尤為重要。根據(jù)GB/T 10561－2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，參照附錄A（規(guī)范性附錄）進(jìn)行夾雜物評(píng)定，在試樣斷口附近取縱向金相試樣，拋光態(tài)下觀察其夾雜物形態(tài)及評(píng)級(jí)，見圖2。由圖2 可以看出，所取的金相試樣中主要夾雜物為A 類硫化物夾雜及DS 類單顆粒球狀?yuàn)A雜。A類夾雜物等級(jí)為1.5 級(jí)，DS 類夾雜物等級(jí)為0.5級(jí)，夾雜等級(jí)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，未發(fā)現(xiàn)大尺寸夾雜物存在。

圖2 SAE1527 鋼夾雜物形態(tài)及評(píng)級(jí)Fig.2 Inclusion Morphology of SAE1527 Steel and Grading for Inclusions

2.4 斷口形貌觀察

在疲勞開裂較寬處取斷口試樣，通過SUPRA55 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)試樣斷口進(jìn)行了微觀形貌觀察及能譜分析，分別見圖3、圖4。由圖3 發(fā)現(xiàn)，裂紋經(jīng)過多次循環(huán)反復(fù)拉壓應(yīng)力作用，引起斷口表面摩擦，斷口較為平坦，斷口處可見疲勞條紋，并有二次細(xì)小裂紋生成，表明疲勞裂紋擴(kuò)展過程中伴隨著脆性開裂［8］。由圖4 發(fā)現(xiàn)，在其斷裂面上未發(fā)現(xiàn)明顯夾雜物。可知，夾雜物不是引起該試樣疲勞斷裂的主要原因。

圖3 斷口SEM 形貌Fig.3 SEM Morphology of Fracture Surface

圖4 斷口面掃描能譜分析Fig.4 Analysis on Fracture Surface by Scanning Energy Spectrum

2.5 金相組織觀察

由于鋼管推方后采取了調(diào)質(zhì)熱處理工藝，因此其常規(guī)組織應(yīng)為回火索氏體組織。對(duì)方管裂紋附近區(qū)域取金相試樣，經(jīng)磨制拋光后用4%硝酸酒精腐蝕，進(jìn)行微觀組織觀察，觀察位置分為鋼管內(nèi)壁、鋼管中間壁、鋼管外壁，試樣金相組織如圖5 所示。由圖5 可以看出，鋼管內(nèi)壁及中間壁為索氏體+貝氏體+網(wǎng)狀鐵素體組織，鋼管外壁為回火索氏體+少量貝氏體組織。鋼管內(nèi)、中、外壁金相組織存在明顯差異，這與其熱處理工藝有著重要關(guān)系，金相組織的不均勻性是引起其疲勞斷裂的主要原因。

圖5 鋼管組織形貌500 倍Fig.5 500 Times Morphology of Microstructures in Steel Pipes

3 結(jié)果及討論

從試樣的金相組織可以看出，鋼管內(nèi)、中、外壁的金相組織存在較大差異，鋼管外壁為索氏體+少量貝氏體，鋼管內(nèi)壁表面和中部出現(xiàn)了索氏體+貝氏體+網(wǎng)狀鐵素體組織，鐵素體本身強(qiáng)度不高，而網(wǎng)狀鐵素體更是嚴(yán)重分割了基體，破壞了基體連續(xù)性，降低了鋼的力學(xué)性能，引起鋼管屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度偏低。而且在疲勞擴(kuò)展前沿，網(wǎng)狀鐵素體不但容易形成微裂紋，還會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋快速擴(kuò)展，加速了斷裂的過程，進(jìn)而也引起疲勞試驗(yàn)中材料在較低的疲勞周次下即發(fā)生了斷裂，降低材料疲勞使用壽命。特別是在方管角部，應(yīng)力較為集中，若出現(xiàn)極其有害的網(wǎng)狀鐵素體，易在此處形成疲勞斷裂源。同時(shí)，金相組織中出現(xiàn)的羽毛狀上貝氏體為中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，其強(qiáng)韌性均不佳，對(duì)斷裂性能危害較大［9］。上貝氏體及網(wǎng)狀鐵素體的產(chǎn)生，主要是在鋼管淬火階段冷卻速度較慢或淬火加熱溫度較低造成，這說明鋼管淬火效果不佳，淬火不足會(huì)導(dǎo)致材料在回火階段無法全部形成回火索氏體，而是保留了回火貝氏體和網(wǎng)狀鐵素體，這也是鋼管最終屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度偏低的主要原因。

由于車軸實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，熱加工工序后必須對(duì)材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，而調(diào)質(zhì)處理是通過改變材料的顯微組織來影響其疲勞裂紋的擴(kuò)展行為。因此材料采取調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)拇慊饻囟取⒋慊鸨貢r(shí)間、回火溫度、回火保溫時(shí)間尤為重要，以期獲得的馬氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，形成由細(xì)粒狀滲碳體和等軸狀鐵素體構(gòu)成的復(fù)相組織——典型的回火索氏體及少量貝氏體。由于高溫回火后，組織中析出碳氮化物，析出物尺寸較小，不易對(duì)裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生直接影響，但其仍能阻礙和釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而延緩裂紋的擴(kuò)展速率。同時(shí)，調(diào)質(zhì)過程要控制鋼的屈強(qiáng)比，減弱缺口敏感性，從而提高材料疲勞性能［10］。

通過對(duì)此次疲勞試驗(yàn)斷裂試樣的分析可以判定，此車軸管疲勞壽命偏低的主要原因是淬火溫度不足或冷卻速度較慢形成了不良組織。在此后的淬火生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)廠確保了產(chǎn)品的淬火溫度及冷卻速度，適當(dāng)提高淬火溫度并加大冷卻速度，避免貝氏體及鐵素體生成，大大地提高了其疲勞壽命。同時(shí)，由于試樣沖擊性能余量較富足，而強(qiáng)度偏下限，適當(dāng)降低了其回火溫度，以提高其強(qiáng)度性能。

4 結(jié)論

（1） SAE1527 車軸管疲勞壽命偏低的主要原因是熱處理工藝不合理，形成了網(wǎng)狀鐵素體及貝氏體組織，進(jìn)而造成了屈服強(qiáng)度偏低。

（2） 在嚴(yán)格控制鋼中夾雜物的前提下，保證產(chǎn)品的淬火溫度及冷卻速度，避免形成貝氏體和網(wǎng)狀鐵素體不良組織，以提高材料的疲勞壽命。