42CrMoA扭桿斷裂的原因分析*

張 偉， 韓曉威， 楊曉彩

(1.河北工業職業技術學院建筑工程系， 河北 石家莊 050091；2.中鋼集團工程設計研究院石家莊設計院冶金分院， 河北 石家莊 050021)

引 言

42CrMoA是中碳合金結構鋼中使用較廣泛的一種典型產品，其特點是在碳鋼中添加了一定含量的鉻和鉬合金元素，從而具有良好的綜合性能，故能應用在工程結構零件、石油化工管道、汽車船舶等工程領域。當使用在汽車的懸架系統中的扭桿時，能保證汽車在行駛過程中運行平穩。某廠生產的42CrMoA 鋼棒材在臺架試驗時出現了斷裂的現象，本文用掃描電鏡和金相觀察分析了裂紋的形貌和顯微組織，用能譜法確定了非金屬夾雜物的種類，以期找到裂紋產生的原因從而為生產做理論指導[1-3]。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

某公司使用42CrMoA鋼棒生產汽車扭桿(Φ27.5 mm)進行臺架試驗時未達到規定次數即出現斷裂，斷口情況如圖1所示，裂紋源距表面約3.8 mm，斷裂源均位于扭桿中心部位的附近。

圖1 材料斷口形貌

42CrMoA汽車扭桿對應國標《合金結構鋼》中的化學成分要求如表1所示。

1.2 試驗方法

首先采用光譜儀檢測裂紋試樣的化學成分，用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察宏觀斷口和微觀形貌，然后通過能譜儀來分析非金屬夾雜物的成分，以確定裂紋形成的原因，最后再通過觀察試樣的金相組織，檢查42CrMoA的熱處理工藝是否造成了組織的異常。

表1 42CrMoA鋼的化學成分/%

2 試驗結果與分析

2.1 化學成分檢驗

首先從工件斷裂處進行取樣，然后用光譜儀分析其成分，其檢測結果如表2中所示，從表中可以看出，材料的化學成分是符合國家標準中的42CrMoA成分要求的，說明此次斷裂與材質成分無直接關系。

2.2 斷口分析

將斷口清洗后用掃描電子顯微鏡來觀察斷口形貌(如圖2所示)。可以看到斷口上有個凹坑，凹坑內有非金屬夾雜物，通過觀察斷裂源區域的微觀斷裂形貌發現其為沿晶斷裂方式，觀察擴展區微觀斷裂的形貌發現其為解理斷裂方式。

表2 42CrMoA分析元素及結果/%

圖2 掃描斷口形貌

2.3 能譜分析

從圖3(a)中的斷口形貌來看，菊花狀的放射中心是斷裂源，周圍呈菊花狀的放射紋路應該是斷裂源處產生的裂紋在應力的作用下向四周擴展而形成的。從圖3(b)中發現了夾雜物，尺寸達到10 μm；由能譜分析得出，裂紋源主要為非金屬夾雜物，例如CaO，Al2O3和CaS復合物，并含有部分MgO和SiO2，這些尺寸比較大的非金屬夾雜物處于裂紋萌生的位置，當超過所能承受的疲勞強度時將會斷裂，而且越靠近工件表面疲勞壽命會越短，如表3所示[4]。

圖3 裂紋源夾雜物形貌

2.4 奧氏體晶粒度

將試樣進行研磨、拋光后用飽和的苦味酸進行浸蝕，從圖4中可以看到奧氏體晶粒度為6.5-7.5級，結果顯示未發現異常粗大組織，說明工件的原料組織符合要求。

表3 裂紋源夾雜物能譜分析結果/%

圖4 奧氏體晶粒度

2.5 金相組織

截取工件裂紋附近的試樣用線切割進行切割，然后用由粗到細的砂紙進行研磨、拋光、4%的硝酸酒精溶液腐蝕，將腐蝕好的試樣用光學顯微鏡進行觀察，其顯微組織如圖5所示，從試樣表層直到7 mm內的顯微組織主要是回火馬氏體，而距表面7-10 mm內的區域為過渡區，心部組織主要是回火索氏體，說明該處組織屬于正常狀態，由此可見不是由金相組織異常而造成的斷裂。

圖5 試樣的顯微組織

2.6 力學性能檢驗

從緊鄰斷口部位截取試樣，進行硬度測試，硬度值對稱分布，測試結果如表4所示，從檢查結果來看零件的硬度符合材料要求。

表4 硬度測試結果

3 結束語

(1)由化學成分檢測結果可知材料的化學成分符合國家標準的規定，說明不是由冶煉時的成分誤差而造成的扭桿斷裂。

(2) 通過觀察工件的金相組織，未發現明顯的粗大晶粒和異常組織，說明不是由加工工藝不正確而造成的斷裂。

(3)通過掃描電鏡觀察斷口和能譜分析夾雜物成分得知，工件在冶煉過程中存在嚴重的硫化物和氧化物等非金屬夾雜物，促進了裂紋萌生，降低了扭桿的疲勞壽命，造成在臺架試驗中的斷裂[5]。