某定位销断裂失效分析

冀 鹏，陈俊杰，武卫星

某定位销断裂失效分析

冀 鹏，陈俊杰，武卫星

（浙江零跑科技股份有限公司，浙江 杭州 310053）

由40Cr钢制成的定位销在工作过程中多次突然断裂，基于此，文章分析了定位销的化学成分、显微组织、断口形貌等。结果表明，此次断裂为氢致延迟断裂，主要是由于原材料内存在D类非金属夹杂物，同时表面淬火后产生内应力，后续生产过程中的酸洗及电镀工艺致使定位销吸氢，最终在交变应力的作用下发生断裂。改善原材料的冶金质量，表面淬火后增加去应力退火工艺，电镀后增加除氢工序，可有效解决该断裂问题。

40Cr钢；定位销；氢致延迟断裂；非金属夹杂物；电镀

焊装车间自动填料机机械臂定位销在生产服役过程中频繁出现突然断裂的情况，严重影响生产效率。该定位销的主要作用是限制机械臂单向行程，工作中受切应力和冲击载荷。其原材料为40Cr，由某零部件厂加工后供货。进一步了解到其技术要求：硬化层深度为1.0～1.5 mm，表面硬度为30～35 HRC，芯部硬度为20～25 HRC，表面电镀锌，镀锌层厚度不小于4 µm。

1 理化检验

1.1 化学成分

采用Spectrolab S型火花直读光谱仪进行化学成分测试，检测结果如表1所示，表1的标准值参照《合金结构钢》（GB/T 3077－2015）中的规定。

表1 定位销化学成分（质量分数） 单位：%

CSiMnPSCr 标准值0.37～0.440.17～0.370.50～0.80≤0.03≤0.030.80～1.10 实测值0.420.210.750.010.010.96

1.2 显微组织

沿定位销沿轴线纵向切开，制成金相试样，经体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，采用WMJ-9950型显微镜观察试样显微组织，如图1所示。其中图1(a)为表层高频淬火后的针状马氏体+少量残余奥氏体，图1(b)为芯部的珠光体+铁素体。

1.3 硬度及淬硬层深度

采用HRS-150M型洛氏硬度计，测得的表面硬度为31.3 HRC，芯部硬度为20.8 HRC。根据技术协议270 HV为规定硬化层深度时的硬度值，参照《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》（GB/ T 9450－2005），试验力为9.807 N（即1 kgf），可测得距样件表面距离的硬度值，由此绘制出硬度-距离曲线，由图2可知硬化层深度为1.32 mm。

图2 硬度-距离曲线

1.4 非金属夹杂物

进一步检测定位销的非金属夹杂物，取样部位如图3(a)所示。由图3(b)可以看出，界面夹杂物颗粒为黑色，呈无规则分布，参照《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》（GB/T 10561－2005）判定为D类（球状氧化物类）夹杂物，评级为1.5级。

图3 取样部位及非金属夹杂物

2 断口分析

2.1 断口宏观形貌

定位销断口宏观形貌如图4所示。由图4可知，断口与定位销轴向基本平齐，附近无显著塑性变形且断面无拉伸断裂的剪切唇，断口颜色为亮灰色，未见明显腐蚀产物。断口左下侧边缘有起源于中心的放射棱线。

图4 断口宏观形貌

2.2 断口微观形貌

采用Axia ChemiSEM扫描电镜观察断口形貌，如图5所示，图5(b)为图5(a)的局部放大。由图5可以看出，断口呈典型的冰糖状沿晶断裂特征，晶界不光滑，有大量的鸡爪状撕裂棱线，同时可以看到部分晶界处有二次裂纹存在。

图5 断口微观形貌

3 分析与讨论

化学成分检测结果表明，失效件各元素含量满足标准要求。显微组织表层为细小的针状马氏体和少量残余奥氏体，芯部为珠光体和铁素体，无明显异常组织。硬度检测显示，表面硬度和芯部硬度均符合技术要求规定，淬硬层深1.32 mm亦满足技术要求。但是失效件存在1.5级的D类（球状氧化物）非金属夹杂物，说明其冶金质量较差。

宏观断口分析表明，正常目视情况下断面与轴向基本垂直，附近无可见的塑性变形，瞬断区未见剪切唇，此次断裂为脆性断裂，断口呈亮灰色，无腐蚀产物。通过扫描电镜观察显示，断口为冰糖状，可知该断裂类型为典型的沿晶断裂[1]。进一步观察发现，断口的晶面轮廓鲜明，有鸡爪状的撕裂棱线；晶界不光滑，部分晶界及晶面伴随有二次裂纹，综合判断该断裂为氢致延迟断裂[2]。

定位销生产过程：下料－机加工－表面淬火－酸洗－电镀，没有除氢工艺。相关文献研究表明，高强度钢在酸洗及电镀过程中，极易发生氢脆断裂[3-4]。这是因为酸洗时，酸溶液中的氢离子会渗入工件基体材料中。此外，电镀工艺也是工件吸氢的主要途径。定位销在电镀过程中作为阴极，在电流作用下，槽液中的氢离子向阴极聚集，被还原后大部分以氢气泡的形式逸出，另一部分以氢原子的状态渗入镀层及材料基体中[5]。然而氢在金属中的存在并不是静止不动的，受浓度梯度和应力梯度的影响，向低浓度、高应力区、应力集中或缺陷处扩散、富集。由于定位销冶金质量较差，基体内存在一定量的非金属夹杂物，同时表面淬火后表层组织与芯部组织不同，故基体还内存在一定的内应力。基体内缺陷和内应力为氢的扩散、聚集提供了必要的条件，扩散浸入钢中的氢在非金属夹杂物和应力集中部位聚集形成内高压[6-8]。随着氢的不断富集，当氢浓度达到一定值时，致使金属内部出现微裂纹。定位销在服役过程中承受交变载荷和一定的冲击载荷，在附加外应力的共同作用下微裂纹不断扩展，在达到临界值时突然发生脆性断裂。

4 结论及建议

自动填料机机械臂定位销原材料（40Cr）冶金质量较差，内部存在D类非金属夹杂物。热处理工艺不完善，表面淬火后未进行适当的去应力退火。同时酸洗及电镀后未进行除氢处理，致使氢渗入基体材料，在应力集中处以及非金属夹杂物等缺陷部位聚集。在交变载荷的作用下，最终导致定位销因氢脆发生突然断裂。

建议零部件厂完善原材料入厂检测流程，明确原材料检测项目及相应要求；同时建立零部件出厂定期抽检机制，防止缺陷零部件批量流出；进一步完善热处理工艺，针对不同强度、不同镀层、不同要求的零部件采用合适的处理工艺并形成现场指导文件。由此也折射出公司对供应商管理方面的不足，经讨论后改进措施如下：焊装车间完善零部件入厂入库流程，要求供应商随件提供该批次产品出厂检测报告；质量部做好产品一致性管理，建立材料-工艺冻结表，增加飞行检查频次，确保零部件生产工艺稳定；供应商管理部完善对供应商研发能力、现场管理、设备维护、人员培训等方面的评分标准，进一步提高供应商准入门槛。同时应举一反三对所有外协零部件进行横展，避免类似问题的发生。

[1] 孙国峰.40Cr钢断裂失效分析[J].金属制品,2011,37 (5):80-82.

[2] 章敬保,胡洋,高国庆,等.汽车张紧轮用40Cr钢螺栓断裂失效分析[J].机械工程材料,2016,40(10):108-110.

[3] 张利峰,佟海生,王卫东,等.高强度螺栓断裂失效分析[J].材料保护,2021,54(10):150-153.

[4] 杨春,钟振前,司红,等.汽车缸盖螺栓断裂原因分析[J].金属热处理,2016,41(11):175-178.

[5] 孙小炎.螺栓氢脆问题研究[J].航天标准化,2007(2): 1-9.

[6] 沈玲.钢制螺栓镀锌后脆性断裂分析[J].航空制造技术,2006(3):103-104.

[7] 金昊昀,王荣,吕渊.SWRCH22A钢螺钉的断裂原因[J].机械工程材料,2020,44(9):99-102.

[8] 李楠,江晓禹.表面氢对裂纹扩展的影响[J].原子与分子物理学报,2023,40(6):183-189.

Fracture Failure Analysis of a Positioning Pin

JI Peng, CHEN Junjie, WU Weixing

( Zhejiang Leapmotor Technology Company Limited, Hangzhou 310053, China )

The positioning pin made of 40Cr steel suddenly broke several times during operation,based on this, chemical composition, microstructure and fracture morphology are analyzed, the results show that the failure is caused by hydrogen-induced delayed fracture. Mainly because of class D non-metallic inclusions in materials and producing internal stress after surface quenching, the positioning pin absorb hydrogen in following processes of pickling and electroplating and break down in under the action of alternating stress. It is suggested to improve the metallurgical quality of materials, add the process of stress relief annealing after surface quenching, and it is more important to add the process of removal of hydrogen after electroplating.

40Cr steel; Positioning pin; Hydrogen-induced delayed fracture; Non-metallic inclusions; Electroplating

U464.13

A

1671-7988(2023)17-154-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.028

冀鹏（1990－），男，工程师，研究方向为汽车材料应用开发及失效分析，E-mail:362443307@qq.com。