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汽車半軸是重要的傳動(dòng)部件，使用過程中承受較大的交變載荷，半軸必須具備較高的強(qiáng)度和抗扭能力，要求工件表層應(yīng)具有較高的強(qiáng)度，心部具有較高的韌性，因此半軸的材料必須達(dá)到應(yīng)有的強(qiáng)度和韌性，才能滿足使用過程中的性能和要求。

一、斷裂概述

我公司的原材料均是由定點(diǎn)廠家供貨，由于有一段時(shí)間生產(chǎn)量大，定點(diǎn)廠家供貨不及時(shí)。為了滿足生產(chǎn)需求，從市場(chǎng)上購進(jìn)一批直徑40mm的40Cr圓鋼，進(jìn)貨檢驗(yàn)化學(xué)成分及力學(xué)性能也在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。按工藝流程投入到機(jī)加工車間正常生產(chǎn)，在車總長、鉆中心孔時(shí)操作工發(fā)現(xiàn)，16019FT半軸桿部中段有約100mm的表面折疊，且嚴(yán)重失圓。操作工將該工件挑選出來放到地上，半軸立即斷為兩截（見圖1）。對(duì)斷裂件宏觀觀察，斷口截面90%的面積氧化嚴(yán)重，只有約10%的面積為新斷口。該半軸桿部未進(jìn)行任何加工處理，可以判定原材料已存在裂紋（見圖2）。

圖1  半軸斷裂部位（實(shí)物）

圖2  半軸斷裂截面（實(shí)物）

二、試驗(yàn)檢測(cè)

在生產(chǎn)加工記錄表中，追溯到該批產(chǎn)品的原材料入庫批次號(hào)，查找到原材料生產(chǎn)爐號(hào)，以及對(duì)應(yīng)的材料牌號(hào)和圓鋼直徑。從該批原材料上截取樣塊，再次進(jìn)行理化檢測(cè)。截取原材料樣塊尺寸為25mm×25mm×15mm，進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀，檢查結(jié)果（見表1）表明化學(xué)成分符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 原材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）   （%）

在原材料上截取標(biāo)準(zhǔn)樣棒，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果（見表2）表明，原材料的力學(xué)性能符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求，但實(shí)測(cè)值大多在標(biāo)準(zhǔn)范圍的下限。

表2 原材料力學(xué)性能

沿半軸斷裂面垂直方向取樣，經(jīng)過磨制拋光浸蝕后，發(fā)現(xiàn)試樣上有很多縱向分布的細(xì)條紋，表明原材料軋制形成的帶狀組織較嚴(yán)重，在斷口截面半徑1/2處尤為明顯。目測(cè)試樣左側(cè)表層有少量的白亮層，這種現(xiàn)象屬于正常的表面脫碳層；試樣右側(cè)有約2mm厚的灰色及白色異常組織，該處的外表面剛好對(duì)應(yīng)于半軸折疊及失圓部位（見圖3）。

圖3 半軸斷裂樣塊（實(shí)物）

進(jìn)一步對(duì)折疊及失圓部位異常組織進(jìn)行金相檢驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果，第一層即最表層為氧化物夾渣層，并有大量裂紋、疏松、孔洞及晶間熔洞（見圖4）；

圖4 氧化物夾渣層（100×）

第二層為變形程度很大的氧化物與基體混合層，隱約可見孔洞及晶間熔洞（見圖5）；第三層為氧化物與基體分界的過渡層，上部分是氧化物與基體混合層，下部分是受熱影響的正火細(xì)化組織區(qū)（見圖6）；

圖5 氧化物與基體混合層（100×） 圖6 氧化物與正火細(xì)化區(qū)（100×）

第四層為正火區(qū)與原始組織的過渡層，上部分是正火細(xì)化組織的熱影響區(qū)，下部分是原材料軋制空冷組織區(qū)（見圖7）。將正火細(xì)化區(qū)組織放大，可見明顯的過燒晶間熔洞組織（見圖8）。

圖7 正火細(xì)化區(qū)與心部組織（100×） 圖8 正火區(qū)晶間熔洞（100×）

由上可知，該折疊失圓部位經(jīng)過了二次加熱，而且加熱溫度很高，應(yīng)該在1300℃以上。只有超過這個(gè)溫度，才能使表層形成過熱過燒組織。高溫加熱后經(jīng)過局部壓力加工，表層及次表層形成變形程度很大的纖維狀混合組織。

試樣左側(cè)表層的白亮層為半脫碳層，深度為0.30mm，屬于正常的原材料軋制表面組織（見圖9）。在脫碳層的表面，局部出現(xiàn)變形程度很大的纖維狀組織，這是由于壓力加工使該部位受力變形造成的，因?yàn)槊撎疾课坏捻g性較好易變形（見圖10）。

圖9 工件表面脫碳層（100×）   圖10 脫碳層內(nèi)變形組織（100×）

半軸斷裂的斷口處，為曲折不平的沿晶開裂特征，斷口附近可見較多沿晶開裂的二次裂紋（見圖11）。有些部位晶粒脫落坑的尺寸很大，晶粒直徑達(dá)0.35～0.35mm。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T6394—2002金屬平均晶粒度測(cè)量方法》進(jìn)行評(píng)定，對(duì)應(yīng)的晶粒度等級(jí)達(dá)0～1級(jí)，屬于嚴(yán)重過熱的粗大組織晶粒（見圖12）。

圖11  斷口二次裂紋（100×）  圖12 粗大晶粒脫落坑（100×）

沿帶狀組織分布的淺灰色條狀?yuàn)A雜物，為低熔點(diǎn)硫化物夾雜（見圖13、圖14）。在總長2mm的帶狀組織條帶間，斷續(xù)分布4條非金屬夾雜物，夾雜物長度分別為0.25mm、0.35mm、0.30mm、0.45mm，夾雜物總長達(dá)1.35mm。最長單顆非金屬夾雜物面積為0.45mm×0.05mm＝0.0225mm2。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T10561—2005鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定》進(jìn)行評(píng)定，超過標(biāo)準(zhǔn)要求允許的2級(jí)粗系硫化物面積（0.436mm×0.012mm＝0.0052mm2）的4.33倍；超過單個(gè)視場(chǎng)中非金屬夾雜物總面積（1.35mm×0.05mm＝0.0675mm2）的12.96倍。

圖13 帶狀組織夾雜物（100×）  圖14 帶狀組織夾雜物（100×）

圖3右側(cè)部位的斷口處，斷裂面仍然呈現(xiàn)曲折不平的脆性開裂，斷口附近有大量的疏松和孔洞（見圖15）。在斷口附近的基體組織中，同樣可見較嚴(yán)重的黑點(diǎn)狀疏松及大塊狀黑色孔洞（見圖16）。疏松及孔洞的存在，表明原材料在鑄造過程中已經(jīng)存在組織缺陷。

圖15 斷口疏松及孔洞（100×）  圖16 基體疏松及孔洞（100×）

三、結(jié)論分析

由于材料組織中非金屬夾雜物嚴(yán)重超標(biāo)，以及存在疏松、孔洞等鑄造缺陷，而且原材料軋制時(shí)加熱溫度過高，使組織中出現(xiàn)過燒特征的晶間熔洞。晶界處及帶狀組織條帶間，低熔點(diǎn)的夾雜物已經(jīng)熔融，材料組織的晶間結(jié)合力急劇降低，從而產(chǎn)生鍛造開裂。

金相檢測(cè)結(jié)果表明，原材料在軋制時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生很大的裂紋。鋼廠在發(fā)現(xiàn)軋制裂紋后，沒有及時(shí)進(jìn)行隔離和處理，而是想辦法掩蓋。在軋制的原材料裂紋附近進(jìn)行高溫加熱，然后局部壓力加工，使軋制的裂紋表面焊合起來。這種隱瞞不合格的不當(dāng)行為，給材料使用廠家?guī)順O大的隱患。質(zhì)量反饋后，原材料生產(chǎn)廠家事故調(diào)查結(jié)果，進(jìn)一步證實(shí)結(jié)論分析的推斷。

通過這次理化檢測(cè)和分析結(jié)果，希望原材料生產(chǎn)廠家重視產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也要求用戶加強(qiáng)原材料進(jìn)貨檢驗(yàn)，防止該類事件再次發(fā)生。