40MnBH半轴材料开裂失效分析

文/吴超，吴勇·丹江口市金驰利半轴有限公司

40MnBH半轴材料开裂失效分析

文/吴超，吴勇·丹江口市金驰利半轴有限公司

吴超，助理工程师，从事商用车底盘零部件的研发与制造。

本文主要针对实际生产中经常遇到的半轴材料失效形式，从理化、金相等方面对失效的机理进行剖析，为生产企业在实际生产中处理类似问题提供了理论基础。

半轴是在差速器与驱动轮之间传递动力的实心轴，如图1所示。其内端用花键与差速器的半轴齿轮连接，而外端则与驱动轮的轮毂相连。一般载重车采用全浮式半轴，它主要承受驱动和制动转矩，小客车多用半浮式半轴，工作载荷为弯扭复合力矩。半轴应具有足够的强度、韧性和良好的抗疲劳性能，一般都使用中、低碳合金钢制造。我公司采用40MnBH低合金结构钢生产中重型商用车半轴，在某批次中发现半轴在感应淬火后，经磁力探伤发现表面多处有纵向裂纹，如图2所示，存在缺陷的半轴数量大约在3%，公司要求技术人员分析产生裂纹的原因及评定裂纹严重程度。

图1 汽车半轴实物

图2 中间杆部在荧光磁粉探伤中呈现条状磁痕

工艺流程

半轴的热处理工艺主要为调质及感应淬火。制造工艺路线为下料→锻造成形→调质→矫直→铣端面、打中心孔→矫直→机械加工→清洗→中频感应加热淬火、回火→矫直→磁力探伤→精加工→成品。调质作为预备热处理采用整体加热（淬火加热温度为850℃）+水冷（水温为48℃）及高温回火（温度为580℃）。最终热处理采用感应淬火+低温回火（温度为180℃）。

失效分析

⑴宏观观察。现场探伤发现裂纹有表面起皮和纵向细小发纹两种。

较少数量的半轴出现了表面起皮这种缺陷，如图3所示。较多数量的半轴出现了纵向细小发纹这种缺陷，肉眼难分辨，在荧光下探伤发现纵向磁痕，经角磨机打磨后仍存在，如图4所示。根据经验，这种条状裂纹或者缺陷应该是材料里面有夹杂物造成的。

图3 表面起皮剥离

图4 打磨后再次探伤仍有条状磁痕

1)该缺陷与感应淬火裂纹特征不符，感应淬火裂纹大都出现在法兰盘与杆部的过渡区以及花键根部或者边角这些应力集中的部位，同批裂纹出现的部位具有一致性。而这次出现的裂纹是随机的，甚至在未淬火的法兰盘上也存在，可以排除感应淬火裂纹。

2)与调质淬火裂纹的特征不符，调质淬火裂纹同样也应该出现在应力集中的部位或者边角的位置。

3)与锻造出现的裂纹特征不符，棒料两端会进行锻造加热，中间杆部是没有加热的，所以不可能是锻造裂纹。

⑵化学成分分析。选择有缺陷的失效半轴取样分析，其化学成分见表1。检测结果表明，该40MnBH材料所有元素含量均符合GB/T3077-1999标准的要求。

⑶金相观察。从图5、6可以分析出，图3半轴横截面裂纹是表面起皮部位的裂纹向材料内部的延伸，裂纹与表面垂直，是周向淬火拉应力所导致的。从图7、8可以分析出，图4半轴横截面上在磁痕位置有两条疑似裂纹的缺陷，一条深达1.2mm，另一条相对较浅只有0.4mm。裂纹面被夹杂物或夹渣充满，裂纹面都有严重的脱碳，表明这些缺陷是原材料本身已经存在，因为调质加热不会造成开裂，只有淬火冷却过程中由于材料应力的释放才会出现淬火裂纹，淬火和回火是不会出现脱碳现象的。同理，感应淬火也不会造成脱碳，这种缺陷只可能是原材料本身存在的。

■ 表1 取样零件的化学成分（ω，%）

通过基体夹杂物的状况进一步确定这些出现在局部表面缺陷产生的原因。纵向截面上，可以看到明显的硫化物夹杂条带，级别1.5级，没有超过标准要求的3级，横向截面上没有发现大块状或者条状夹杂物，表明熔炼过程是正常的。这些夹杂物的分布特点与上面看到的图2的夹杂特点不相符。而且这些夹渣附近的基体也没有发现异常的夹杂分布。这些夹渣类型的缺陷都处于表层，并起始于表面，如图9、10所示。

图5 半轴起皮部位横截面

图6 杆部疑似裂纹处横截面

图7 疑似裂纹横截面夹渣高倍下的特点

图8 疑似裂纹横截面严重脱碳的特征

图9 材料横向截面上夹杂分布状况

图10 材料纵向截面上夹杂分布状况

结束语

半轴在感应淬火后的探伤过程中发现，3%左右的半轴杆部或法兰部位存在线状磁痕，部分严重的直接就可以观察到起皮的现象；通过分析排除了锻造成形、调质、感应淬火这些工艺导致缺陷的可能；从裂纹的形态和存在严重脱碳现象，以及根据裂缝面被夹渣物填满的特点来看，材料在钢厂的轧制成形过程中就已经存在细小裂纹或折叠。后来，在轧制过程中这些小裂纹或折叠被延展，分布在表面，这些在探伤时表现为纵向磁痕的缺陷深度达1.2mm，严重影响了半轴的性能，已存在此类缺陷的半轴不能投入使用。