第一作者：焦東風(fēng)，合肥美橋汽車傳動(dòng)及底盤系統(tǒng)有限公司
第二作者：金林奎，東莞市星仁杰金屬材料科技有限公司
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
40Cr鋼穩(wěn)定桿螺栓，在汽車后橋上起到支撐穩(wěn)定桿的作用，并以鎖緊螺母將穩(wěn)定桿固定。穩(wěn)定桿螺栓的加工工藝流程為：鋸床下料→熱加工鍛造→調(diào)質(zhì)處理→桿部搓絲→鍍鋅處理。在服役過(guò)程中，穩(wěn)定桿螺栓在鎖緊螺母的作用下，產(chǎn)生一個(gè)拉伸的縱向應(yīng)力。隨著工件的服役承載，穩(wěn)定桿產(chǎn)生較強(qiáng)的牽引，螺栓受到向右的側(cè)向拉應(yīng)力。整車試行過(guò)程中，螺栓的桿部發(fā)生早期失效斷裂。該螺栓的使用周期極短，持續(xù)時(shí)間不足24h。斷裂部位位于圖示的A處，與桿部縱向近似垂直的橫向斷裂（見(jiàn)圖1）。
1.宏觀檢測(cè)
目測(cè)斷口的左側(cè)一半以上面積的區(qū)域色澤較淺，右側(cè)部位的色澤較深。斷口宏觀檢測(cè)，圖示左側(cè)為同心圓的多條圓弧推進(jìn)線，這是疲勞擴(kuò)展的斷口特征形貌，同心圓的圓心為疲勞源。斷口的右側(cè)呈放射狀快速斷裂特征，右側(cè)邊緣的傾斜部位為終斷區(qū)剪切唇（見(jiàn)圖2）。
圖1 螺栓斷裂部位（實(shí)物）
圖2 螺栓失效斷口（實(shí)物）
3.化學(xué)分析
斷裂失效件截取樣塊進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，見(jiàn)表1。
表1 斷裂件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）
40Cr | C | Si | Mn | Cr | S | P |
標(biāo)準(zhǔn)值 | 0.37～0.45 | 0.17～0.37 | 0.50～0.80 | 0.80～1.10 | ≤0.035 | ≤0.035 |
實(shí)測(cè)值 | 0.37 | 0.18 | 0.66 | 0.97 | 0.008 | 0.019 |
4.力學(xué)性能
庫(kù)存產(chǎn)品抽取3件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)檢測(cè)，見(jiàn)表2。
表2 抽樣力學(xué)性能檢測(cè)
要求 | 抗拉強(qiáng)度≥1039.66N/mm2 | 表面硬度32～39HRC | 結(jié)論 |
1# | 1141 | 37.4 | 合格 |
2# | 1164 | 37.1 | 合格 |
3# | 1149 | 37.2 | 合格 |
5.金相檢驗(yàn)
用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行檢查，在裂紋源附近可見(jiàn)大量放射狀條紋。放射狀條紋的收斂處，明顯指出裂紋源位于穩(wěn)定桿螺栓的表面。工件的表面有許多斷續(xù)分布的大小不一的凹槽及剝落坑，在裂紋源左側(cè)有兩塊較大的并排分布的剝落坑，剝落坑的下面可見(jiàn)多源臺(tái)階條紋，這種多源臺(tái)階條紋屬于應(yīng)力集中的典型特征。在放射狀條紋的突起處，明顯分布數(shù)量眾多的顆粒狀產(chǎn)物，這種細(xì)小的顆粒狀產(chǎn)物，經(jīng)檢測(cè)確認(rèn)為A類非金屬夾雜物，屬于典型的硫化物夾雜。（見(jiàn)圖3）。心部調(diào)質(zhì)區(qū)域的斷口檢查，掃描電鏡觀察結(jié)果顯示為韌性斷裂，圖片顯示以韌窩及撕裂棱的特征形貌為主。在韌窩的底部同樣存在顆粒狀及條狀硫化物夾雜（見(jiàn)圖4）。
圖3 裂紋源斷口形貌
圖4 心部斷口形貌
在試樣的表層存在一條細(xì)微的傾斜裂紋，裂紋兩側(cè)有較嚴(yán)重的脫碳層。裂紋間隙內(nèi)明顯可見(jiàn)凸出的圓弧狀晶粒自由表面，裂紋內(nèi)為斷續(xù)分布的孔洞，這是組織疏松和氣泡的特征形態(tài)。綜合以上組織特征可以斷定，該裂紋為原材料表層皮下氣泡引起的折疊裂紋（見(jiàn)圖5）。折疊裂紋的表層附近，有一條與工件表面垂直的微裂紋，裂紋擴(kuò)展呈周期往復(fù)的曲折狀穿晶形態(tài)，這種形式的穿晶微裂紋，屬于疲勞擴(kuò)展的特征形貌（見(jiàn)圖6）。
圖5 折疊裂紋全貌（40×）
圖6 折疊裂紋開口（400×）
樣塊左側(cè)的表層相距不足10mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)，斷續(xù)分布數(shù)十條表面微裂紋，裂紋沿表層圓弧狀凹坑底部開裂。根據(jù)金相組織檢查初步推斷，表層的凹坑是工件表面鍍鋅過(guò)程中，酸洗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)留下的腐蝕坑。表面微裂紋的深度在0.10～0.20mm。表層密集分布的黑色點(diǎn)狀組織是表面鍍鋅層，白亮色塊狀組織為脫碳層中的鐵素體組織。經(jīng)測(cè)量鍍鋅層為0.04mm，脫碳層為0.10mm，其中全脫碳層為0.04mm，半脫碳層為0.06mm（見(jiàn)圖7）。樣塊右側(cè)的表層灰黑色鍍鋅層更加明顯。右側(cè)的脫碳層深度與左側(cè)的脫碳層相近，心部組織仍然是保持馬氏體位向的索氏體組織（見(jiàn)圖8）。
圖7 左側(cè)表層組織（400×）
圖8 右側(cè)表層組織（400×）
斷口開裂初期呈平直的穿晶狀態(tài)，這種穿晶形態(tài)屬于疲勞擴(kuò)展的特征形貌。表層及次表層組織為調(diào)質(zhì)狀態(tài)的馬氏體位向索氏體，馬氏體位向的組織較為粗大（見(jiàn)圖9）。裂紋擴(kuò)展后期，斷口呈凹凸不平的沿晶斷裂特征。沿粗大斷口的凸出晶粒表面，斷續(xù)分布大小不等的圓弧凹坑，這是典型的沿晶韌窩斷口形貌，屬于過(guò)熱特征組織。斷口附近有非金屬夾雜物熔融的孔洞，表明原始軋制或鍛造溫度過(guò)高，硫化物夾雜已經(jīng)熔化為孔洞，顯著降低了材料強(qiáng)度，增加材料脆性（見(jiàn)圖10）。
圖9 裂紋穿晶組織（400×）
圖10 裂紋沿晶組織（400×）
在樣塊的右側(cè)裂紋擴(kuò)展終斷區(qū)，晶粒呈脫落狀態(tài)，晶粒間硫化物夾雜熔融的晶間熔洞組織更為明顯。由于晶間熔洞的形成，晶間結(jié)合力顯著降低，材料組織脆性增大，終斷區(qū)斷口受擠壓產(chǎn)生沿晶脆斷（見(jiàn)圖11）。裂紋終斷區(qū)的表層處纖維狀組織較為嚴(yán)重，脫碳層區(qū)域鐵素體已經(jīng)被拉成長(zhǎng)條狀。外表層的纖維組織是斷口延伸的塑性變形層，圖示上部更加嚴(yán)重的纖維組織是斷口擠壓的變形層。近表層附近的脫碳層的存在，強(qiáng)度急劇降低，韌性顯著增加，斷口撞擊擠壓處顯示出塑性變形的特征。
圖11 脆性斷口組織（400×）
圖12 擠壓變形組織（400×）
6.結(jié)論分析
穩(wěn)定桿螺栓斷裂，是由于外表層受到螺母擰緊的縱向拉伸應(yīng)力，以及穩(wěn)定桿向右側(cè)牽引的側(cè)向應(yīng)力，于是在工件的右側(cè)增加了雙向的拉應(yīng)力。表面疲勞裂紋形成于拉應(yīng)力處，產(chǎn)生在強(qiáng)度最低的缺陷部位，工件的表面脫碳層顯著降低材料的表面強(qiáng)度。在服役承載的交變應(yīng)力作用下，由較深的腐蝕坑底部引發(fā)了應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞裂紋源。疲勞裂紋沿同心圓的弧形推進(jìn)線向前延伸，向穩(wěn)定桿螺栓桿部中心部位擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力增大到峰值時(shí)，便在斷口中心部位形成多源臺(tái)階的應(yīng)力集中開裂，并呈放射狀條紋迅速擴(kuò)展至斷裂。軋制或鍛造的過(guò)熱組織晶粒粗大，晶間結(jié)合力顯著降低。非金屬夾雜物熔融的晶間熔洞組織，進(jìn)一步降低材料強(qiáng)度，增加材料脆性，最終導(dǎo)致工件在極短的時(shí)間內(nèi)，由疲勞擴(kuò)展至沿晶脆性斷裂。
皮下氣泡形成的折疊裂紋也會(huì)產(chǎn)生疲勞擴(kuò)展的裂紋源，較深的裂紋造成很高的應(yīng)力集中，甚至可以使裂紋迅速擴(kuò)展至斷裂。只是由于皮下氣泡折疊裂紋未處于拉應(yīng)力最強(qiáng)的部位，裂紋沒(méi)有繼續(xù)擴(kuò)展的推動(dòng)力。如果該裂紋位于拉應(yīng)力中心，失效斷裂的時(shí)間將會(huì)更短。
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