李海明
【摘 要】针对某40 Cr钢汽车半轴在装配过程中发生断裂的问题，通过对半轴的化学成分、显微组织、力学性能、断口等方面进行分析，查出了导致半轴断裂的原因。结果表明：半轴热处理时淬火温度过高或保温时间过长，导致奥氏体晶粒粗大，冷却时在材料心部形成魏氏体组织，是导致半轴断裂的主要原因；另外淬火温度偏高导致杂质元素在晶界聚集，降低了晶界的结合强度，也促进了半轴的断裂。因此，优化冶炼工艺制度、并严格遵守热处理制度是避免汽车半轴断裂的主要措施。%Aiming at the problem of fracture of 40Cr steel automobile half-shafts during assembly,by analyzing the chemical compositions,microstructure,mechanical properties and fracture of the half-shaft,the fracture reasons were found out.The results show that the too high quenching temperature and too long holding time in the heat treatment process led to coarse austenite,and then widmanstatten structure was formed in the center of the half-shaft during cooling, which were the main reasons for the fracture.At the same time,higher que
nching temperature led to the aggregation of impurity elements at the grain boundaries and reduced the grain boundary bonding strength,which also accelerated the fracture of the half-shaft.Therefore,optimizing of smelting process system and strictly complying with the heat treatment process system were main measures to avoid fracture of the automobile half-shafts.
【期刊名称】《理化检验-物理分册》
【年(卷),期】2016(052)008
【总页数】5页(P589-593)
【关键词】汽车半轴;断裂;魏氏体组织;热处理工艺;夹杂物
【作 者】李海明
【作者单位】莱芜钢铁集团有限公司，莱芜 271104
【正文语种】中 文
【中图分类】TG161
40Cr钢是常用的中碳低合金高强度调质钢，其抗拉强度、屈服强度及淬透性等指标均优于45钢，应用非常广泛[1-2]。目前，40Cr钢主要用于制造中等载荷和中等速率的零件，如汽车的转向节、后半轴及机床上使用的齿轮、轴、蜗杆及花键轴等[3-5]。
某钢厂自20世纪70年代建厂以来，一直致力于40Cr钢的研发和生产，该钢种也是企业的主导产品之一。该厂生产的40Cr钢产品质量一直比较稳定。近期，某汽车半轴公司采购该钢厂生产的φ52 mm规格40Cr钢，用于生产汽车半轴。在装配过程中，该汽车半轴公司生产的半轴出现断裂现象，断裂半轴数量占到总数的10%～15%。由于汽车半轴的装配位置非常重要，其性能指标关系到汽车整车系统的安全，为此笔者对出现断裂的半轴进行了检验和分析，以确定其断裂原因，并提出预防和解决的措施。
1.1 断口分析
1.1.1 宏观断口分析
图1和图2分别为断裂半轴和断口宏观形貌，可以看出，在断裂截面上从外到内组织层次分
明，外部淬硬层轮廓明显，从外到内逐渐由脆性断裂向韧性断裂转变。
1.1.2 微观断口分析
图3和图4是断裂半轴的断口微观形貌，从半轴边缘向内，断口形貌由解理逐渐过渡为准解理，断口心部为韧窝+少量沿晶形貌。
1.2 化学成分分析
1.2.1 常规化学成分分析
表1为半轴的实测化学成分、质保书给出的化学成分以及GB/T 3077-2015《合金结构钢》对40Cr钢成分的技术要求。可以看出，该40Cr钢产品质保书给出的碳含量为0.41%；断裂半轴实测碳含量为0.45%～0.46%，可见二者碳含量差别较大。关于钢材成分偏差，GB/T 222-2006《钢的化学成分允许偏差》允许碳含量偏差为±0.03%，同时结合GB/T 3077-2015要求的碳含量成分范围，可以判定断裂半轴的碳含量符合标准要求。另外，其他成分含量也均在标准规定的范围内，说明化学成分不是导致半轴断裂的主要原因。
1.2.2 能谱微区成分分析
图5和图6分别为半轴断口断裂源处横向和纵向扫描电镜(SEM)形貌，可以看出，断裂源处存在细小夹杂物。从横向断面看，夹杂物颗粒尺寸在5～20 μm；从纵向断面看，夹杂物颗粒尺寸在20～30 μm。因此，可以判定夹杂物颗粒呈条状或片层状分布，而不是呈粒状分布。夹杂物的颗粒尺寸及形貌对材料性能有重要的影响，条状或片层状的夹杂物会大幅度降低材料的力学性能。通过对夹杂物进行能谱(EDS)分析，可以看出其主要成分为氧化物、硫化物和硅酸盐。
1.3 力学性能试验
表2为不同热处理条件下40Cr钢的力学性能。可以看出，相比淬火加热温度为850 ℃的正常热处理工艺情况，在淬火加热温度为890 ℃的过热情况下，材料的抗拉强度Rm有较大幅度的降低，由1 020 MPa降低到936 MPa，降低幅度达到8.2%以上，其他指标的数值也略有降低。
1.4 金相检验
40Cr钢的基本热处理工艺是：将工件加热到850 ℃，根据工件尺寸，保温40～50 min，选
用油作为淬火介质，油温控制在20～50 ℃；然后在520 ℃回火1～2 h，回火后的显微组织是回火索氏体，即铁素体基体上分布着细粒状的渗碳体，这种组织具有较好的综合力学性能。
图7为40Cr钢经合理热处理工艺后的显微组织形貌，可以看出，在正常热处理条件下，材料的组织比较细密均匀，晶粒界面明显。图8为断裂半轴的显微组织形貌，可以看出，由于热处理工艺不当，导致产生了魏氏体组织，大大降低了材料的力学性能。
1.5 非金属夹杂物检验
另外，对断裂半轴的非金属夹杂物含量也进行了检验，如图9所示。可以看出，对照GB/T 5216-2004《保证淬透性结构钢》，A类和B类夹杂物含量均在标准要求范围内。分析表明，尽管断裂半轴存在着一定含量的非金属夹杂物，但这也不是导致半轴断裂的主要原因。
40Cr钢在制造加工成机械零部件时，导致其出现裂纹、断裂等失效形式的影响因素有很多，主要包括冶炼时钢液的洁净度低[6-7]，轧制过程中的工艺参数不合适以及外来夹杂物
汽车辐射的卷入[8]，用于机械零件制造时的锻造工艺[9]、热处理工艺以及机械加工工艺参数不合理等[10-12]。
化学成分分析结果表明，虽然断裂半轴的碳含量与产品质保书的数值相差较大，但仍然符合标准技术要求，其他成分的含量也都在标准规定范围内。因此，可以确定材料的化学成分不是导致该半轴断裂的主要原因。
在使用40Cr钢制造机械零部件时，需要经过锻造以改善材料的组织和性能。锻造加热温度一般为1 080～1 200 ℃，保温时间根据产品的尺寸规格确定。锻造加热时应避免出现过热、过烧现象，以防止晶粒长大和晶界低熔点杂质产生液析。锻造加热时过热、过烧操作产生的粗大颗粒在锻造后不会被全部消除，会有部分残留，导致晶粒尺寸不均匀；液析会导致锻造时晶间产生裂纹，严重时会导致晶间开裂[9]。另外，还需要控制40Cr钢的原始晶粒度。通过了解和检验，该汽车半轴生产厂家的锻造工艺是正确的。因此，排除了锻造工艺导致半轴断裂的可能性。
由生产厂家的热处理工艺调研结果及产品组织的检验结果可以看出，由于热处理工艺不当，加热温度偏高，为880～900 ℃，导致奥氏体晶粒长大，热处理后产生了魏氏体组织。
魏氏体典型特征是铁素体呈针片状，并向珠光体晶粒内部生长，造成材料性能降低。魏氏体组织产生的原因主要是加热温度过高和冷却速率过快。从图8(b)可以看出，淬火后工件边部的组织为马氏体和铁素体的混合组织，说明冷却速率较慢。这种组织在回火时不能完全形成索氏体，而是形成索氏体+屈氏体+贝氏体以及少量铁素体的混晶组织，该组织强度低、塑性差[13]。通过热处理工艺分析可见，加热温度偏高、淬火冷却速率较慢导致出现的不合格显微组织，是导致该批次半轴出现断裂的主要原因。
通过对断裂半轴材料的夹杂物分析可以看出，主要夹杂物是硫化物、氧化物和硅酸盐类夹杂物，夹杂物形态呈片层状，会恶化材料的性能。尽管夹杂物级别符合标准要求，但是，结合材料的化学成分分析，材料的碳含量已经超过标准上限，在较高的热处理温度下杂质容易向晶界聚集，在高碳含量情况下，这种聚集倾向会增大。杂质在晶界聚集会导致晶界强度降低，如果再加上热处理工艺不合理导致的组织恶化，就会使材料的断裂倾向大大增加[7,12]。图3中在试样边部出现的准解理脆性断裂就是上述情况综合作用的结果，说明材料脆性明显增大。
采用40Cr钢制造的汽车半轴断裂属性是组织型断裂，断裂的主要原因是热处理工艺不当导
致出现不合格组织。在半轴热处理过程中，淬火加热温度过高以及保温时间过长，导致奥氏体晶粒粗大，冷却时出现魏氏体组织；加之冷却介质冷却能力不足，导致工件边部出现片层状马氏体，回火后出现了混晶组织，导致材料性能急剧下降。另外，淬火温度偏高还会导致杂质元素在晶界处聚集，弱化晶界结合强度，夹杂物虽不是导致半轴断裂的主要原因，却是引起半轴断裂的诱因。
建议采取以下措施以避免类似质量事故的再发生：①优化冶炼工艺制度，提高钢液洁净度、降低杂质含量及改善杂质的分布状态；②严格制定并遵守热处理工艺制度，避免出现不合格组织。
2016年7月23日，第10届上海市X射线衍射分析学术交流会在上海市杨浦区同济大学召开，本次会议由上海市物理学会X射线衍射与同步辐射专业委员会主办，同济大学承办，布鲁克(北京)科技有限公司协办，《理化检验-物理分册》编辑部和“材料与测试网”为本次会议媒体支持单位。来自上海地区的高校、研究院所及企事业单位的专家、学者及工程技术人员40余人参加了此次会议。
会议开幕式在上海市物理学会X射线衍射与同步辐射专业委员会主任、上海交通大学材料科
学与工程学院姜传海教授的主持下正式开始。同济大学材料学院副院长吴建国教授在开幕式上致辞，复旦大学分析测试中心的马礼敦教授和中国科学院上海微系统与信息技术研究所的杨传铮教授是X射线衍射与同步辐射领域的老前辈，他们为上海市物理学会X射线衍射与同步辐射专业委员会的诞生与发展做出了卓越的贡献，两位老专家向与会代表介绍了X射线衍射与同步辐射专业委员会从1982年创建至今的发展历程，并希望能有更多的年轻科技人员参与到学术研究和专委会活动中，通过X射线衍射与同步辐射专业委员会这样一个平台，大家互相交流学习，提出问题、解决问题，相信在大家的共同努力下X射线衍射与同步辐射专业委员会一定会越办越好。上海市物理学会副理事长、上海大学材料科学与工程学院的魏光普教授也到会并代表上级学会上海市物理学会致辞，对X射线衍射与同步辐射专业委员会的工作表示了充分的肯定。
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